Маятники

Взаимопревращение механической энергии, потенциальной в кинетическую и обратно, можно проиллюстрировать с помощью различных маятников.

Первый из маятников, которые мы рассмотрим - так называемый пружинный маятник: груз висит на пружине. Если я растяну пружину дополнительно, то при этом я увеличиваю потенциальную энергию системы. Сейчас пружина растянута, возникли силы упругости, большие, чем вес груза. И если я отпущу груз, то под действием упругих сил груз начнет двигаться к положению равновесия, и возникнут колебания груза на пружине. При этих колебаниях происходит взаимопревращение энергии.

Когда груз доходит до нижней точки, его скорость становится равной нулю и кинетическая энергия становится равной нулю. Но в нижней точке будет максимально растянута пружина и будет максимальна потенциальная энергия системы.

Когда же груз движется вверх и проходит положение равновесия (вот положение равновесия), его скорость наибольшая, его кинетическая энергия максимальна, а потенциальная энергия здесь будет наименьшая.

Затем груз продолжает движение вверх, пружина начинает сжиматься и противодействует движению груза. Растет потенциальная энергия груза, но убывает его кинетическая энергия, в верхней точке она становится равной нулю

Вот так происходит взаимопревращение кинетической энергии в потенциальную и обратно при колебаниях груза на пружине.

Заменим пружинный маятник нитяным маятником, так называемым математическим маятником. Это шарик, который прикреплен к нити. Если я отклоню этот шарик из положения равновесия, я увеличиваю запас его потенциальной энергии, он поднимается при этом на большую высоту. Я могу увеличить его кинетическую энергию, сообщить ему запас кинетической энергии, ударив по шарику. В обоих случаях, и в первом, если я шарик отпускаю, и во втором случае, если я его ударю, шарик начинает колебаться.

И вот при колебаниях математического маятника происходит взаимопревращение энергии. Когда шарик доходит до крайнего положения, его кинетическая энергия становится равной нулю, потому что в этом положении шарик останавливается. Но его потенциальная энергия здесь больше, чем раньше, и под действием сил тяжести он возвращается в положение равновесия, и происходит превращение его потенциальной энергии в кинетическую. Когда шарик проходит положение равновесия, его кинетическая энергия наибольшая, а потенциальная энергия в этом положении наименьшая. А затем опять шарик идет в другую сторону, растет его потенциальная энергия и уменьшается кинетическая. И в этом положении его кинетическая энергия снова становится равной нулю. Вот так происходит взаимопревращение энергии при колебаниях математического маятника.

Мы рассмотрим еще один маятник, так называемый маятник Максвелла. Он устроен следующим образом: массивное колесо на стержне, и два шнура намотаны на этот стержень. Сейчас колесо поднято вверх, его потенциальная энергия наибольшая, и если я освобожу колесо, то смотрите, что происходит. Маятник движется вниз, разгоняется и вновь движется вверх, шнуры наматываются на стержень. Вот сейчас потенциальная энергия переходит в кинетическую, здесь кинетическая энергия наибольшая, и колесо ушло вверх. А здесь наименьшая кинетическая энергия. Снова растет потенциальная энергия, кинетическая энергия в верхней точке - 0. По мере движения вверх-вниз вы видите, что высота подъема постепенно уменьшается. Дело в том, что часть механической энергии здесь превращается в тепловую энергию. Это связано с трением о воздух, с трением в подвесе, с трением при наматывании шнуров на стержень. И вот постепенное превращение механической энергии в тепловую, так называемое рассеивание механической энергии приводит к затуханиям в колебаниях этого маятника.