Фізичний маятник - точність понад усе

Коливання - один з поширених видів механічного руху. Найбільш наочним прикладом є коливання, які здійснює фізичний маятник. Це важке тіло, закріплене на нитки в одній точці. Відводячи маятник від положення рівноваги і відпускаючи його, ми дозволяємо йому падати, але падіння відбувається не вільно, а по траєкторії, що дорівнює довжині нитки.

Тут можна спостерігати процес перетворення потенційної енергії в енергію кінетичну і назад. Відхиливши фізичний маятник, ми задаємо йому потенційну енергію. Потім, коли його відпускають, він починає рух, і при поверненні в точку рівноваги його швидкість буде максимальною. У процесі руху вниз відбувається перетворення частини потенційної енергії в енергію кінетичну. Далі, рухаючись за інерцією, тіло піднімається все вище і вище, поки в якійсь точці рух не припиниться. Тут кінетична енергія перетворюється знову в потенційну.

Потім маятник починає рух у зворотний бік, і все повторюється. Таким чином, ми бачимо, що фізичний маятник коливається завдяки чиненим переходам потенційної енергії в енергію кінетичну, а потім назад. Час, що витрачається на все коливання, тобто то, протягом якого тіло, пішовши з якої-небудь точки траєкторії свого руху, повернеться туди знову, називається періодом коливань. Найбільше відхилення від точки рівноваги маятника називають амплітудою коливання.

Вивчаючи коливання, вчені встановили, що період фізичного маятника, з яким він здійснює коливання, ніяк не пов'язаний з масою маятника і визначається лише довжиною нитки і значенням прискорення вільного падіння. Виникнення коливання можливо і у випадку, коли вантаж закріплений на пружині. У такому випадку відбувається перехід потенційної енергії стиснутої пружини в кінетичну енергію руху вантажу і навпаки.

Коливання, які здійснює фізичний маятник або вантаж на пружині, якщо відсутня вплив додаткових сил, називаються вільними або власними. Якщо ж на них відбувається будь-яка зовнішня дія, то подібні коливання називаються вимушеними. При тривалому впливі зовнішньої додаткової періодичної сили маятник починає коливатися з частотою впливу цієї сили. При такому впливі можливе виникнення такого явища як резонанс.

Робота з маятником надзвичайно цікава і може допомогти у вирішенні багатьох завдань. Досить згадати маятник Фуко, завдяки якому вдалося довести, що Земля обертається. У цьому досвіді проводилося спостереження за рухом маятника. Для цього використовувався вантаж, підвішений на дроті довжиною 67 метрів. За задумом, на маятник діяли тільки сила тяжіння Землі і сила натягу дроту. Внаслідок чого коливання мали відбуватися тільки у вертикальній площині.

На підлозі був насип пісок і маятник своїм гострим кінцем при русі залишав на ньому свій слід. Виявилося, що рух здійснюється не тільки у вертикальній площині, але присутній і горизонтальна складова. При кожному русі маятника відхилення становило близько трьох міліметрів від попередньої траєкторії, за годину площину, в якій відбувалися коливання маятника, повернулась на одинадцять градусів.

Можна згадати і застосування маятника в годиннику, засноване на постійному періоді його коливань. Це період залежить тільки від довжини маятника. Точність ходу подібних годин може досягати значної величини. У 1954 році радянським інженером Федченко були створені маятниковий годинник, точність ходу яких становила 0,0003 с на добу.

Ось приблизно так можна описати, що собою представляє фізичний маятник, його властивості та параметри, можливості щодо його використання в науці і техніці.