Класс!ная физика - всегда рядом Класс!ная физика - викторины Класс!ная физика - для любознательных Техно-шокер Музей открытки 20 века Коты-работы художников

"Что кажется нам чудом, на самом деле таковым не является!" - Симон Стевин
Но, что будет, если кота Шрёдингера засунуть в бутылку Клейна и обмотать всё лентой Мёбиуса?





«Класс!ная физика» - это class-fizika.spb.ru, class-fizika.narod.ru, class-fizika.ru.

 Класс!ная физика   -  YouTube

Колебания. Маятники. Маятник Фуко, Фигуры Лиссажу. Резонанс (ч.1) Опыты

ПечатьE-mail


ОПЫТ С МАЯТНИКОМ ФУКО


Маятник Фуко служит для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. На длинном тросе подвешен тяжелый шар. Он качается над круглой площадкой с делениями. И когда проходит некоторое время, зрители видят, что маятник качается уже над другими делениями круга. Создается впечатление, что маятник повернулся, стал качаться в другой плоскости. На самом же деле это впечатление ошибочное. Маятник качается в прежней плоскости, никуда он не повернулся, он строго сохра­няет плоскость своего качания, ведь никакие посторонние силы не пыта­лись сдвинуть его в сторону со своей дороги.

Почему же все-таки он очутился над другими делениями круга?
Потому что повернулся сам круг, повернулся вместе с Землей.


Опыт

Привяжите к карандашу нитку с грузиком — например, с гайкой. Положите на стол линейку и, держа карандаш горизонтально, подтолкните маятник, чтобы он качался вдоль линейки.



Начните постепенно поворачивать карандаш в горизонтальной плоскости.




Вы убедитесь, что поворот карандаша не повлиял на маятник, он будет по-прежнему качаться вдоль линейки. Во время этого опыта не должно быть ветра, сквозняка, которые могли бы оказать влияние на маятник.


Модель маятника Фуко


Можно перевернуть вверх ногами табуретку и укрепить на концах двух ее ножек, по диагонали, какую-нибудь деревянную палку или металлическую трубку, а к середине ее привязать маятник. Заставьте его качаться так, чтобы плоскость его качания проходила между ножек табуретки. Медленно поворачивайте табуретку вокруг ее вертикальной оси, и вы заметите, что теперь маятник качается уже в другом направлении.




На самом деле он качается все также, а изменение произошло из-за поворота самой табуретки, которая в данном опыте играет роль нашей Земли.

В  домашних условиях можно проделать опыт и с настоящим маятником Фуко.
Но где найти помещение с потолком не ниже хотя бы пяти метров?
Подвешивается маятник на крючке, который может легко поворачиваться вокруг своей вертикальной оси. Плоскость качания маятника должна проходить с севера на юг.



СЛОЖЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ



Колебания можно складывать. Если они направлены в одну сторону, то получаются колебания, размах которых равняется сумме размахов слагаемых колебаний.
Если же направления колебаний одинакового размаха противоположны, то колебания вычитаются друг из друга и прекращаются. Мы с вами будем складывать два взаимно перпендикулярные колебания, сообщив их одному маятнику.


Опыт 1

Подвесьте маятник в таком месте, чтобы его колебаниям ничто не мешало (например, дверной проем). Отклоните его вправо и, перед тем как отпустить, толкните вперед.



Маятник получил сразу два направления движения: ему надо качаться справа налево и одновременно вперед и назад, поскольку вы его так толкнули.
Направления колебаний перпендикулярны друг другу, они складываются, и маятник теперь описывает эллипсы или даже окружности.


Опыт 2

Возьмите велосипедную спицу (можно прямой кусок стальной или медной проволоки примерно такой же толщины и длины), крепко зажмите ее конец (если это спица, то тот конец, на котором маленький изгиб) в тисках или между двумя деревянными брусками. Спица должна быть в вертикальном положении. На свободный конец спицы наденьте кусочек резиновой трубки со вставленным в нее (наполовину) блестящим стальным шариком от шарикового подшипника. Если внутренний диаметр трубки больше толщины спицы, намотайте на конец спицы немного изоляционной ленты.




Опыт будем наблюдать сверху, поэтому позаботьтесь, чтобы шарик на спице был хорошо освещен, чтобы на нем был яркий блик.

Если вы немного отклоните спицу и отпустите ее, она начнет колебаться, блик на шарике будет описывать эллипсы. Почему же эллипсы, а не прямую линию?

 Дело в том, что, отклонив и отпустив спицу, вы, сами того не замечая, сообщили ей сразу два направления колебаний. Но теперь потренируйтесь, чтобы блик шарика при отпускании спицы чертил только короткую прямую линию. Главное при отпускании спицы — постараться, чтобы рука была совершенно спокойной, не дрожала и пальцы разжимались быстро.

Когда вы добьетесь, что блик шарика на спице будет вычерчивать короткую прямую линию, ударьте по спице, поперек ее колебаниям, деревянной палочкой. Шарик сразу начнет описывать эллипсы. Это результат сложения двух перпендикулярных колебаний. Не увлекайтесь большим размахом спицы, вполне достаточно, если ее размах будет два-три сантиметра. Если дома нет велосипедной спицы, можно взять длинную вязальную спицу.



ОПЫТ С ФИГУРАМИ ЛИССАЖУ


При сложении колебаний разных частот, как это делал французский физик Лиссажу, получаются не эллипсы, а красивые, замысловатые фигуры.

Склейте из картона конус с маленьким (один-два миллиметра) отверстием в его вершине. Подвесьте конус за две нитки в дверном проеме (разумеется, конусом вниз).  Зажмите обе нитки (например, бельевой прищепкой, зажимом «крокодил» и т. п.) в каком-нибудь месте — скажем, в пяти сантиметрах от конуса. На пол надо постелить газету, а на нее положите кусок бумаги темного цвета, лучше бархатистую.

Теперь надо отвести маятник немного на себя и вправо и насыпать в воронку конуса манной крупы. Отпустив маятник, сможем наблюдать получающиеся в результате его колебаний фигуры Лиссажу. Меняя положение зажима ниток, можно получить разные фигуры.

Очень красив опыт с фигурами Лиссажу, если вместо воронки к концу ниток привязать батарейку карманного фонарика с горящей лампочкой и потушить в квартире свет.



РЕЗОНАНС МАЯТНИКОВ


Хорошим местом  для проведения  опыта может быть дверной проем, в котором на некоторой высоте с помощью кнопок укрепите горизонтально тонкий шпагат. Подвесьте на нем четыре маятника: два одинаковой и два разной длины. Один из маятников разной длины сделайте в два раза короче одинаковых маятников, другой — в два раза длиннее. Маятники можно сделать, привязав к отработанным батарейкам тонкий шпагат. Подвесьте на натянутой веревке на одинаковом расстоянии друг от друга наши маятники, причем в середину подвесьте маятники одинаковой длины.



Отклоните один из одинаковых маятников и отпустите его. Он начнет качаться. Через некоторое время начнет качаться и висящий рядом, одинаковый по длине маятник. Колебания первого маятника передались через веревку его соседям, но откликнулся на эти колебания только один маятник — одинаковой длины. Про такие маятники, которые перенимают колебания друг от друга, говорят, что они настроены в резонанс. Главное же условие резонанса — одинаковая длина маятников. Остальные маятники даже не сдвинулись с места, если не считать, что они стали немного двигаться в разных направле­ниях от легкого колебания веревки, на которой висят. Но это беспорядочное движение не имеет ничего общего с гармоническими колебаниями маятников одинакового размера.

Качание маятников можно наблюдать долго. Интересно, как один из маятников временами почти останавливается, потом под воздействием соседнего вновь раскачивается.

Теперь у самого длинного маятника укоротите веревку, сделайте ее такой же длины, как у двух одинаковых. Сейчас висят три одинаковых маятника. Раскачайте любой из них, два других тоже начнут раскачиваться. Понаблюдайте, как у них чередуется усиление качаний с постепенным затуханием колебаний. Четвертый же маятник на короткой веревке по-прежнему будет безразличным  к качанию  своих соседей.



БЕГЕМОТ И ПТИЧКА


Ты, конечно, видел много вещей, которые качаются. А в часовой мастерской — сколько там часов с качающимися маятниками! Просто глаза разбегаются. И качаются маятники по-разному. Тик-так, тик-так —спешит легкий, маленький маятник ходиков. Так-к! Так-к!—солидно подтверждает большой и тяжелый маятник часов, стоящих на полу. Он качается гораздо реже.

Почему разная частота качания у маятников?
Давай проверим. Вместо маятников можешь взять два любых тела разного  веса.  Я  опять  выбрал  свои любимые фигурки: тяжелого бегемотика и легкую птичку.

Подвесь бегемота на нитке длиной примерно 1 м, а птичку —на нитке длиной 25 см. Теперь качни их не очень сильно. Ты увидишь, что легкая птичка так и порхает вправо-влево, вправо-влево. А тяжелый, солидный бегемот качается примерно вдвое медленнее.
Казалось бы, все ясно. Тяжелое тело колеблется медленно, легкое — быстро. Но не спеши делать выводы.

Сделай тот же опыт, поменяв нитки.




Ты увидишь, что бегемот, привязанный на короткую, «птичкину», нитку потеряет всю свою солидность. Он засуетится, заспешит, будет, словно птичка, порхать вправо-влево, вправо-влево!

Зато птичка, подвешенная на длинной, «бегемотьей», нитке, переймет повадку бегемота. Она начнет качаться солидно, важно, не спеша. Выходит, что частота качания зависит вовсе не от веса. Она зависит от длины маятника! Маленький маятник ходиков качается так быстро не потому, что он легкий, а потому, что коротенький.




Вернуться в «Оглавление»

Источник: Ф.Рабиза "Опыты без приборов"; Л. Гальперштейн "Забавная физика"