Поиски истины

Оценим период колебан-ий маятника. Предположим для простоты, что тяжелый груз с массой m подвешен на легком стержне, массой которого можно пренебречь. Прежде всего выясним, какие величины могут входить в выражение для периода колебаний. Поскольку сила, движущая маятник к положению равновесия, - это сила тяжести, то период может зависеть от ускорения силы тяжести g и от массы маятника т. Кроме того, может войти также длина маятника /. Разумеется, такие величины, как температура и вязкость воздуха, несущественны, если мы пренебрегаем затуханием маятника. Не войдет в задачу также и скорость вращения Земли, если мы не учитываем ускорения Кориолиса, которое возникает от движения точки подвески маятника вместе с Землей. Ничего не поделаешь, чтобы упростить задачу, надо знать, чем можно пренебречь! Из трех оставшихся величин - g, m, l - можно составить только одну комбинацию, имеющую размерность времени. Эта величина равна sqrt(l/g), а следовательно, период Т равен T=asqrt(l/g).

Масса m не вошла в задачу. Безразмерная константа а не может быть найдена из размерных соображений, можно только сказать, что она не очень велика и не очень мала - порядка единицы. Действительно, эта величина должна быть найдена из решения не написанного нами уравнения движения маятника, а числа, возникающие из решения уравнений, встречающихся в физике, как правило, оказываются порядка единицы. Точное вычисление дает для а величину 2л. Таким образом, мы без вычислений, пользуясь только размерным анализом, получили, что период колебаний маятника не зависит от его массы и пропорционален корню квадратному из его длины. Кроме того, мы нашли также и примерную величину периода колебаний.

Обобщенный осциллятор

Во всех областях физики встречаются задачи, связанные с колебаниями около положения равновесия. Такая система независимо от ее устройства называется «осциллятором» - она осциллирует около положения равновесия. Простейший осциллятор - грузик на пружине или маятник; более сложный - натянутая струна, у нее может быть много типов колебаний: колебания с пучностью посередине (основной тон), с одним узлом, двумя узлами и так далее (обертоны). Струна - набор осцилляторов разной частоты. Аналогичный пример - столб воздуха в органной трубе - его можно заставить колебаться с наинизшей частотой - основной тон, - или с более высокой, когда в некоторых точках воздушного столба частицы воздуха будут неподвижны - аналог узлов в колебаниях струны.

Общее для всех осцилляторов заключается в том, что энергия колебательной системы состоит из двух слагаемых. Одно пропорционально квадрату отклонения осциллятора от положения равновесия - это потенциальная энергия. Если q - величина отклонения от положения равновесия, то потенциальная энергия равна

U=\gamma q2/2.

Коэффициент \gamma называется «жестокостью» осциллятора. Второе слагаемое - кинетическая энергия - может быть записано в виде T = \beta q'2/2, где q' - скорость изменения величины q во времени. Величину в можно назвать «массой осциллятора». Если отклонить осциллятор от положения равновесия на величину q0, то запас потенциальной энергии будет U=\gamma q02/2. Поскольку осциллятор стремится вернуться в состояние равновесия, эта потенциальная энергия начнет переходить в кинетическую, а когда осциллятор будет проходить положение равновесия, вся потенциальная энергия перейдет в кинетическую. При этом скорость осциллятора q' максимальна. По инерции он проскочит положение равновесия, и в точке - q0 вся кинетическая энергия перейдет в потенциальную, и затем опять начнется движение в сторону равновесия. Как бы ни был конкретно устроен осциллятор, его угловая частота колебаний \omega (\omega = 2\pi /Т) выражается следующим образом через жесткость \gamma и массу \beta:

\omega =sqrt(\gamma/\beta) , или Т = 2\pi / sqrt(\gamma/\beta).

В случае маятника роль жесткости играла величина g, а «массы» - длина маятника l. Таким образом, можно рассмотреть сразу все осцилляторы независимо от их физической природы.

Вот еще один осциллятор, совсем непохожий на предыдущие, но и к нему применимы те же формулы. Концы катушки из хорошо проводящей проволоки присоединены к конденсатору. Энергия такой системы состоит из двух слагаемых: энергии магнитного поля в катушке и энергии электрического поля, пропорциональной квадрату заряда Q, который в данный момент находится на обкладках конденсатора. Если заряд Q рассматривать как координату осциллятора, то энергия конденсатора будет играть роль потенциальной энергии. Энергия магнитного поля катушки пропорциональна квадрату силы тока, текущего в данный момент по катушке. Но сила тока равна скорости Q' изменения заряда конденсатора со временем. Энергия магнитного поля пропорциональна Q'2 и соответствует кинетической энергии. Такой осциллятор называется «электрическим колебательным контуром».