Наблюдение резонанса у маятников

В сегодняшней статье мы рассмотрим такое явление как резонанс. Несмотря на кажущуюся сложность, данное явление можно легко наблюдать в домашних условиях, а для проведения эксперимента достаточно пластилина и ниток.

Для выполнения опыта изготовим из пластилина три маятника. Как известно из курса школьной физики, маятники характеризуются двумя параметрами: массой и длиной подвеса. В нашем случае, два из них имеют одинаковую массу и длину нити, третий имеет такую же массу, но другую длину нити (это существенный момент). Все маятники подвесим на еще одну, хорошо натянутую нить. Для наглядности расположим отличающийся маятник по центру.

Попробуем теперь качнуть крайний маятник и посмотрим на дальнейшее поведение системы.

Главное, что мы видим – то, что одинаковые маятники качаются вместе, но третий практически не участвует в этих колебаниях. Конечно, средний маятник тоже иногда начинает раскачиваться, но это бывает редко, и к тому же амплитуда его колебаний намного меньше, чем у крайних.

Можно провести и противоположный опыт: остановить крайние маятники, и толкнуть средний. В этом случае будет наоборот: колебания этого маятника практически не передаются на соседние, и он качается “в гордом одиночестве”.

Почему же так происходит? Чтобы объяснить данный эксперимент, обратим внимание на то, что при качании маятников колебания совершает и нить, на которую они подвешены. Данный факт малозаметен, но именно он и является ключевым моментом: если точка подвеса качается с той же частотой, которую имеет сам маятник, то размах его колебаний становится все больше и больше. В науке это и называется резонансом.

Подобный резонанс с маятником легко сделать и самостоятельно. Достаточно подвесить любой грузик на нитку, и, держа за нее, пытаться раскачать его. При этом нетрудно заметить, что двигать рукой нужно с той же частотой, с какой качается этот импровизированный маятник. Если пробовать двигать рукой быстрее или медленнее, то результата, естественно, не будет.

Вернемся к нашим маятникам. Если качается крайний маятник, то общая нить начинает колебаться с его частотой. А эта частота совпадает с частотой другого крайнего маятника. Другими словами, они находятся в резонансе, и передают энергию колебаний туда и обратно. А вот средний маятник имеет другую частоту и никак не участвует в процессе.

Аналогично, если качается средний маятник, то два других оказываются не в резонансе и полностью “выбывают из игры”.

Еще более интересно наблюдать систему из 4-5 и более маятников (как в ней возникают разные комбинации колебаний). Эти эксперименты мы оставим на самостоятельное изучение.