Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Все эти особенности характерны и для любых других видов свободных колебаний (Р-62; 6,7). В колебаниях зажатой в тиски линейки участвуют уже знакомые нам накопители — упругость и движение, в колебаниях маятника или качелей один из накопителей тот же — движение, а вместо упругой деформации работает поднятие маятника (качелей) на некоторую высоту: чем выше поднято тело, тем больше энергии оно запасает и затем может отдать ее, двигаясь вниз.

Свободные колебания — вид движений, очень распространенный и в природе, и в технике. Можно наблюдать химические колебания, когда «туда-обратно» меняются концентрации определенных веществ. Очень скоро мы увидим, как протекают электромагнитные колебания — обмен энергией между конденсатором и катушкой. Даже в поведении человека нередки колебания, когда есть два накопителя, два решения, между которыми приходится выбирать.

Есть у всех и всяких систем, в которых происходят свободные колебания, еще одна общая черта — частота колебаний f зависит от параметров накопителей энергии.

Т-92. Чем медленнее накопители принимают и отдают энергию, тем ниже частота собственных колебаний. Для свободных колебаний понятие «частота» имеет тот же смысл, что и для переменного тока (Т-68) — время полного цикла свободных колебаний называется периодом, а число периодов в секунду — частотой. И единицы измерений те же: для периода — секунды (сек), для частоты — герцы (Гц). Каким будет период свободных колебаний, какой будет частота, зависит от того, насколько быстро обмениваются энергией ее накопители. Так, например, чем больше масса струны, тем медленнее она набирает скорость и медленнее останавливается, двигаясь по инерции. И поэтому с увеличением массы струны частота f свободных колебаний уменьшается. Вот почему более толстые, более массивные струны колеблются медленнее, чем тонкие (Р-62;8).

Частота колебаний струны зависит также от ее гибкости: чем меньше натянута струна, тем более вяло протекает и поэтому дольше тянется процесс ее деформации и тем медленнее деформированная струна возвращается в исходное состояние. Поэтому с уменьшением силы натяжения струны, то есть с ростом ее гибкости, податливости, частота собственных колебаний уменьшается. Сущность этих зависимостей всегда одна и та же — частота свободных колебаний зависит только от параметров колеблющейся системы (часто говорят, колебательной системы) и, меняя эти параметры, можно менять частоту собственных колебаний.

А теперь вернемся на несколько минут в наш кинозал, где колеблющаяся на экране гитарная струна поможет сделать еще один важный общий вывод.

Т-93. Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем выше ее добротность, тем дольше продолжаются свободные колебания. Мы возвращаемся в кинозал и, как и следовало ожидать, видим на экране знакомые кадры: струна по-прежнему движется туда-обратно и знакомый голос произносит все те же фразы:

«…струну заставляет двигаться энергия упругой деформации…»

«…она уже не может остановиться…»

«…кинетическая энергия израсходована на то, чтобы вновь деформировать струну…»

И все-таки что-то изменилось в движениях струны. Теперь она чуть медленнее проходит мимо «линии покоя» и отклоняется от этой линии чуть меньше, чем в самом начале. Еще несколько минут наблюдений — и уверенный вывод: колебания постепенно затухают. Ну что ж, это естественно, струна не может колебаться вечно. Причину затухания колебаний тоже можно понять— это потери энергии. Каждый раз при перекачивании энергии из одного накопителя в другой часть ее теряется на то, чтобы преодолеть трение воздуха, преодолеть внутреннее трение в самой струне. В итоге запасы энергии, которые когда-то струна получила, постепенно иссякают, энергия превращается в тепло, которое, как в бездонную бочку, уходит в просторы воздушного океана.

Чтобы оценить, насколько же бережно струна расходует свои запасы энергии, вводится специальная характеристика — добротность Q. Чем больше энергии струна запасает по сравнению с тем, что она теряет при каждом перекачивании, тем выше добротность, тем, следовательно, медленнее затухают и дольше длятся свободные колебания (Р-62;10,11).

Среди нескольких видов потерь энергии у струны есть, если можно так сказать, полезные потери. Во всяком случае, эти потери, точнее говоря, затраты энергии, просто необходимы настоящей гитарной струне, которая должна создавать звук.