Перетворення енергії під час гармонічних коливань
~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Описуєш перетворення кінетичної й потенціальної енергії під час гармонічних коливань, обчислюєш повну енергію E = kA²/2, максимальну швидкість та енергії в будь-якому положенні маятника.
Під час гармонічних коливань механічна енергія системи постійно перетворюється з одного виду на інший. У пружинному маятнику вантаж має кінетичну енергію, а пружина — потенціальну енергію пружної деформації. Якщо тертя немає, повна механічна енергія залишається сталою — це ключовий закон, який дає змогу знаходити швидкість, амплітуду й енергію в будь-якій точці.
Формули енергій
Потенціальна енергія пружно деформованої пружини залежить від жорсткості k і зміщення x від положення рівноваги:
Кінетична енергія вантажу масою m, що рухається зі швидкістю v:
Повна механічна енергія — це сума цих двох величин:
Енергія в крайніх точках і в положенні рівноваги
У крайній точці, де x = A (амплітуда), швидкість вантажу дорівнює нулю. Отже, вся енергія зосереджена в пружині:
У положенні рівноваги (x = 0) пружина не деформована, тому потенціальна енергія нульова, а вся енергія — кінетична:
Прирівнюючи ці два вирази, отримуємо зв'язок між максимальною швидкістю, амплітудою, масою та жорсткістю:
Тут ω = √(k/m) — циклічна частота коливань. Формула v_max = Aω справедлива для будь-яких гармонічних коливань, не лише пружинного маятника.
Числовий приклад
Нехай вантаж масою m = 0,5 кг коливається на пружині жорсткістю k = 50 Н/м з амплітудою A = 0,1 м. Повна енергія:
Максимальна швидкість:
Залежність від амплітуди
Повна енергія пропорційна квадрату амплітуди. Якщо амплітуду збільшити вдвічі, енергія зросте в 4 рази, а максимальна швидкість — лише вдвічі (бо v_max ~ A). Це важливо пам'ятати під час розв'язування задач: зміна амплітуди сильно впливає на енергію.
Повна механічна енергія коливальної системи є сталою, але її складники — кінетична й потенціальна енергії — змінюються залежно від того, де перебуває вантаж. Знаючи зміщення x, можна обчислити, скільки енергії зосереджено в пружині, а скільки — в русі вантажу.
Енергія в довільній точці
Якщо вантаж перебуває на відстані x від положення рівноваги, потенціальна енергія пружини дорівнює:
Оскільки повна енергія E = kA²/2 не змінюється, кінетичну енергію знаходять як різницю:
Ці формули дають змогу визначити співвідношення енергій у будь-якій точці траєкторії.
Особливі точки
Положення | Зміщення x | Eₚ | Eк |
|---|---|---|---|
Крайня точка | A | E | 0 |
Положення рівноваги | 0 | 0 | E |
Половина амплітуди | A/2 | E/4 | 3E/4 |
Точка рівності енергій | A/√2 ≈ 0,71A | E/2 | E/2 |
Зверни увагу: у точці x = A/2 потенціальна енергія становить лише чверть повної, а кінетична — три чверті. Співвідношення Eк : Eₚ = 3 : 1 — зручний орієнтир для перевірки розрахунків.
Кінетична й потенціальна енергії стають рівними за зміщення x = A/√2 ≈ 0,71A. Не плутай цю точку з x = A/2 — там енергії не рівні!
Числовий приклад
Для попереднього прикладу (A = 0,1 м, k = 50 Н/м, E = 0,25 Дж) знайдемо енергії в точці x = 0,05 м:
Дійсно, Eк = 0,1875 Дж утричі більша за Eₚ = 0,0625 Дж.
Нитяний маятник
Для нитяного (математичного) маятника потенціальна енергія зумовлена гравітацією, а не пружністю. У найвищій точці, де вантаж піднято на висоту h над найнижчим положенням:
У найнижчій точці вся потенціальна енергія переходить у кінетичну:
Висоту h можна виразити через довжину нитки l і кут відхилення θ: h = l(1 − cos θ). Це дає змогу обчислювати швидкість маятника в будь-якому положенні.
Енергії в гармонічних коливаннях не просто перерозподіляються за положенням — вони змінюються в часі за певним законом. Розуміння цих часових залежностей допомагає аналізувати графіки й відповідати на тестові запитання про частоту зміни енергій.
Залежність енергій від часу
Зміщення вантажу змінюється за законом x(t) = A·cos(ωt). Тоді потенціальна енергія:
Швидкість — похідна зміщення: v(t) = −Aω·sin(ωt). Кінетична енергія:
Обидві енергії містять квадрат тригонометричної функції. Функції cos²(ωt) і sin²(ωt) змінюються вдвічі швидше, ніж cos(ωt). Їхній період дорівнює T/2, а частота — 2ν. Отже, кінетична й потенціальна енергії змінюються з частотою, вдвічі більшою за частоту коливань маятника.
Графік енергій
На графіку видно: коли потенціальна енергія максимальна, кінетична дорівнює нулю, і навпаки. Сума цих двох величин — горизонтальна пряма, що відповідає сталій повній енергії.
Перетворення за чверть періоду
За чверть періоду (T/4) вантаж проходить шлях від положення рівноваги до крайньої точки або навпаки. За цей час:
Від рівноваги до крайньої точки: кінетична енергія перетворюється на потенціальну (Eк → 0, Eₚ → E).
Від крайньої точки до рівноваги: потенціальна енергія перетворюється на кінетичну (Eₚ → 0, Eк → E).
За один повний період вантаж проходить положення рівноваги двічі, тому кінетична енергія досягає максимуму двічі за період. Так само потенціальна енергія досягає максимуму двічі за період — у крайніх точках.
Згасаючі коливання
У реальних системах завжди є тертя (опір повітря, тертя в підвісі тощо). Воно перетворює частину механічної енергії на внутрішню (тепло). Унаслідок цього амплітуда коливань поступово зменшується, а разом із нею зменшується й повна механічна енергія. Такі коливання називають згасаючими. На НМТ можуть запитувати, чи зберігається повна енергія за наявності тертя — правильна відповідь: ні, вона зменшується.
Приклад 1. Повна енергія пружинного маятника
Вантаж масою 0,2 кг коливається на пружині жорсткістю 80 Н/м з амплітудою 5 см. Знайди повну механічну енергію коливань у міліджоулях.
Розв'язання:
Повна енергія пружинного маятника без тертя дорівнює максимальній потенціальній енергії пружини: E = kA²/2.
Переведемо амплітуду в метри: A = 5 см = 0,05 м.
Відповідь потрібна в міліджоулях: 0,1 Дж = 100 мДж.
Відповідь: 100.
Чому інші відповіді неправильні? Якби ти забув поділити на 2, отримав би 200 — це типова помилка. Якби переплутав одиниці (залишив 5 см замість 0,05 м), отримав би 1000 — теж поширена пастка.
Приклад 2. Максимальна швидкість
Для тих самих даних (m = 0,2 кг, k = 80 Н/м, A = 5 см) знайди максимальну швидкість вантажу в метрах за секунду.
Розв'язання:
Максимальна швидкість досягається в положенні рівноваги. Використаємо закон збереження енергії:
Підставляємо: A = 0,05 м, k = 80 Н/м, m = 0,2 кг.
Відповідь: 1.
Поширена помилка: забути взяти квадратний корінь і написати v_max = A·(k/m) = 0,05·400 = 20 м/с. Це неправильно — корінь обов'язковий!
Приклад 3. Як зміна амплітуди впливає на енергію
Амплітуду коливань пружинного маятника збільшили вдвічі. Як при цьому змінилася повна механічна енергія?
Розв'язання:
Повна енергія E = kA²/2. Якщо амплітуда A зросла вдвічі, то A² зросла в 4 рази. Оскільки k і множник 1/2 не змінюються, енергія збільшилася в 4 рази.
Відповідь: збільшилася в 4 рази.
Розбір дистракторів:
«Збільшилася вдвічі» — так було б, якби енергія була пропорційна A, а не A².
«Не змінилася» — суперечить закону збереження енергії: зміна амплітуди змінює запас енергії.
«Збільшилася в √2 разів» — так змінилася б амплітуда, якби енергію збільшили вдвічі, а не навпаки.
Приклад 4. Частота зміни кінетичної енергії
Маятник коливається з частотою ν. З якою частотою змінюється його кінетична енергія?
Розв'язання:
Кінетична енергія Eк = (kA²/2)·sin²(ωt). Функція sin²(ωt) має період T/2, тому частота її зміни вдвічі більша за частоту коливань маятника: ν_E = 2ν.
Відповідь: 2ν.
Розбір дистракторів:
«ν» — так змінюється зміщення та швидкість, а не енергія.
«ν/2» — період енергії менший, а не більший.
«Не змінюється» — енергія змінюється, бо вантаж рухається.
Вважати, що енергії змінюються з тим самим періодом, що й зміщення. Насправді період зміни енергій удвічі менший: T_енергії = T/2. Це випливає з того, що енергії пропорційні cos²(ωt) і sin²(ωt), а ці функції мають період π/ω, тоді як зміщення — 2π/ω.
Вважати, що повна енергія залежить від маси. Повна енергія пружинного маятника E = kA²/2 — вона залежить лише від жорсткості пружини й амплітуди. Маса впливає на максимальну швидкість (v_max = A√(k/m)), але не на повну енергію.
Плутати точку, де кінетична й потенціальна енергії рівні, з серединою амплітуди. Рівність настає за x = A/√2 ≈ 0,71A, а не за x = A/2. У точці A/2 потенціальна енергія становить лише чверть повної, а кінетична — три чверті.
Забувати ділити kA² на 2. Формула потенціальної енергії пружини — kx²/2, а повної — kA²/2. Пропуск двійки в знаменнику дає вдвічі завищений результат, що є поширеною помилкою в задачах з короткою відповіддю.
Вважати, що за наявності тертя повна енергія зберігається. Тертя перетворює механічну енергію на внутрішню (тепло), тому повна механічна енергія зменшується — коливання стають згасаючими. Закон збереження механічної енергії виконується лише для ідеальних систем без тертя.
У довідці НМТ з фізики, яку ти отримуєш на початку тесту, є всі необхідні формули: кінетична енергія Eк = mv²/2, потенціальна енергія пружно деформованої пружини Eₚ = kx²/2, потенціальна енергія піднятого тіла Eₚ = mgh, повна механічна енергія E = Eк + Eₚ та рівняння гармонічних коливань x = A·cos(ωt).
Програма НМТ (тема «Механічні коливання і хвилі») вимагає:
застосовувати закон збереження енергії до коливальних систем;
аналізувати графіки незгасаючих і згасаючих коливань;
обчислювати повну енергію, максимальну швидкість та енергії в заданому положенні.
Завдання з короткою відповіддю (№ 17–22 у тесті) оцінюються в 0 або 2 бали. У них потрібно вписати число в одиницях, указаних в умові. Наприклад, якщо в умові амплітуда задана в сантиметрах, а відповідь просять у міліджоулях — перевір переведення одиниць.
Стратегія розв'язування задач на енергію:
Визнач, чи є тертя. Якщо тертя немає — повна енергія стала.
Запиши E = Eк + Eₚ для будь-якого положення.
Визнач, яка з величин (Eк чи Eₚ) відома в цьому положенні.
Якщо відоме зміщення x — знайди Eₚ = kx²/2, потім Eк = E − Eₚ.
Якщо відома швидкість — знайди Eк = mv²/2, потім Eₚ = E − Eк.
Для нитяного маятника замість kx²/2 використовуй mgh, де h — висота підняття вантажу над найнижчою точкою.
Чому енергія коливань залежить від амплітуди?
Повна механічна енергія пружинного маятника дорівнює максимальній потенціальній енергії пружини: E = kA²/2. Амплітуда A — це максимальне видовження пружини. Чим більше розтягнута (або стиснута) пружина, тим більша енергія пружної деформації в ній накопичена. Оскільки енергія пропорційна квадрату амплітуди, навіть невелике збільшення A дає помітний приріст енергії.
Куди зникає енергія у згасаючих коливаннях?
У реальних системах завжди діють сили тертя (опір повітря, тертя в точці підвісу тощо). Ці сили виконують від'ємну роботу, перетворюючи механічну енергію коливань на внутрішню енергію — тіла нагріваються. Цей процес незворотний: механічна енергія поступово «розсіюється» в довкіллі у вигляді тепла, тому амплітуда й повна енергія зменшуються.
У якому положенні маятник має найбільшу потенціальну енергію?
Для пружинного маятника — у крайніх точках, де зміщення x = ±A (пружина максимально деформована). Для нитяного маятника — у найвищій точці траєкторії, де вантаж піднято на максимальну висоту h над положенням рівноваги. В обох випадках у цей момент швидкість дорівнює нулю, тому вся повна енергія зосереджена в потенціальній.
Чому на графіку енергій період удвічі менший, ніж на графіку зміщення?
Зміщення змінюється за законом x = A·cos(ωt), а енергії — пропорційні cos²(ωt) і sin²(ωt). Квадрат косинуса (або синуса) має період π/ω, тоді як косинус — 2π/ω. Тобто період енергій T_E = T/2, а частота ν_E = 2ν. Це означає, що за один повний період коливань маятника енергія встигає двічі досягти максимуму й двічі — мінімуму.
E = Eк + Eₚ = kA²/2 = m·v_max²/2 — повна механічна енергія не залежить від положення, якщо немає тертя.
v_max = A√(k/m) = Aω — максимальна швидкість досягається в положенні рівноваги.
Амплітуда вдвічі більша — енергія в 4 рази більша, а v_max — лише вдвічі.
Eк = Eₚ за x = A/√2 ≈ 0,71A — не плутай з A/2!
Енергії змінюються з частотою 2ν, тобто вдвічі швидше за зміщення.
Для нитяного маятника: у крайній точці Eₚ = mgh, у нижній v_max = √(2gh).