Вивчаємо маятник - амплітуда коливань
Серед «вічних» тем шкільної програми з фізики розділ «коливання», мабуть, самий ностальгічний - про нього завжди згадується з якоюсь теплою смутком. Навряд чи хоч хто-небудь, згадуючи цю тему, не бачить, в першу чергу, тік-так, тік- так ... маятник - «серйозний» прилад з кабінету з фізики. Правда, лабораторні маятники не "цокають», але своїм класичним середньовічним виглядом завжди як би говорять, погойдуючись, своє вічне тік-так, тік- так ... «Не думай про секунди звисока». А завдання у цих простеньких на вигляд приладів - наочно показати, що ж це таке - коливання.
Ми пізнаємо світ і переконуємося, як багато значить навколо нас таке просте і нехитре дійство. Коливання - це і маятник Фуко, і годинник, і електрику, радіо, ТБ, звук з динаміка, а улюблена мобілка - ціле скопище коливальних систем. Ну, що ж, згадаємо, чого вчили в школі - амплітуда коливань, формули, графіки. Отже, коливання ... а що це таке?
Все, що нас оточує, це «матеріальні точки», яким, чомусь, ніяк не сидиться спокійно. У цьому хаосі різноманітності рухів коливаннями називають процес, при якому матеріальна точка, іноді говорять система, завжди повертається до положення рівноваги, якщо вона від нього багаторазово відхиляється. При цьому величина максимального відхилення від точки рівноваги називається амплітуда коливань. Найкращим приладом для демонстрації механічних коливань, звичайно ж, служить старий, добрий маятник - вантаж (куля, диск або стрижень), підвішений на нитці. Зафіксуйте його нерухомо - і ось вам стан рівноваги. Відведіть вантаж в сторону і відпустіть, що бачите? Правильно, він почне своє «тік-так»: повернеться в положення рівноваги, відхилиться в інший бік, потім знову повернеться в положення рівноваги. Якщо маятнику ніщо не заважає, то він, невгамовний, знову відхилиться в сторону ... і так безперервно, поки, через сили тертя, він все-таки не зупиниться.
Так уже повелося, що будь-який предмет, що має масу, розміри та інші відмітні ознаки, обов'язково містить набір характеристик, якими можна однозначно описати дану «матеріальну точку» так, щоб її поведінка від взаємодії з навколишнім середовищем було передбачуваним, логічним і зрозумілим. Такими характеристиками маятника є амплітуда коливань і період. Інші часто використовувані параметри - похідні від вихідних, вони є їх органічною частиною (фаза) або результатом додаткових обчислень (частота).
Наступний крок вивчення захоплюючого світу коливань - найпростіший експеримент з визначення параметрів нашого об'єкта - маятника. Пристрій маятника простіше нікуди - нитка, куля, точка підвісу. А як знайти амплітуду коливань такого маятника? Та так просто, щоб такий досвід, як кажуть, і на кухні можна було виконати. Все легко (у відомих межах). Вихідна задача: є підвішений до стелі маятник - металевий диск на нитки. Нас цікавить величина відхилення диска від положення рівноваги. При нерухомому маятнику робимо відмітку точки рівноваги на стіні, або на встановленому ззаду паперовому екрані. Штовхнемо диск. Маятник почне коливатися, а тінь від диска буде «малювати» траєкторію на екрані. Переміщаючи паличку (можна олівець) по екрану, знаходимо останню крапку, коли тінь при коливаннях в крайній точці закриває наш покажчик, і робимо мітку. Відстань від точки рівноваги до мітки і буде амплітуда коливань маятника. Правда, нескладно? А хто б сумнівався.
Звичайно, можна «осучаснити» експеримент електронними наворотами з фотодатчиками або використовувати лазерні вимірювачі відстаней, поміряти з точністю до якоїсь привабливою цифри після коми, але ніщо не може змінити його суть - виконано вимір найбільшого відхилення маятника від положення рівноваги, тобто виміряна амплітуда. У зроблене нами досвіді легко виявити один «секрет» маятника - його амплітуда коливань залежить тільки від початкових умов, тобто фактично від сили першого поштовху, який порушив стан рівноваги, або початкової енергії, повідомленої коливальній системі, коли маятник відхиляють на деякий кут від положення рівноваги.