Přeměny energie v mechanickém oscilátoru
Aby oscilátor začal kmitat, musíme mu dodat energii. Pružinový oscilátor ji získá tak, že ho vychýlíme z rovnovážné polohy. Vnější síla vykoná určitou práci a o ni se zvětší mechanická energie oscilátoru.
V průběhu periody se energie kmitavého pohybu mění v souladu se zákonem zachování mechanické energie.
Při harmonickém kmitavém pohybu mechanického oscilátoru se periodicky mění jeho potenciální energie v energii kinetickou a naopak. Pokud na oscilátor nepůsobí vnější síly, je mechanická energie kmitání konstantní. Oscilátor kmitá s konstantní amplitudou.
Při průchodu rovnovážnou polohou má oscilátor největší rychlost, a tedy také největší kinetickou energii. Naopak potenciální energie je nulová.
V bodech obratu má oscilátor největší potenciální energii (pružnosti, tíhovou) a kinetická energie je nulová.
Celková mechanická energie je při netlumeném kmitání konstantní.
Obr. 1: Časové diagramy energií
U ideálního mechanického oscilátoru by kmitání probíhalo neomezeně dlouho. Říkáme, že oscilátor kmitá volně, tzn. že na něj nepůsobí žádné vnější síly. Takové kmitání označujeme jako netlumené kmitání.
U skutečného oscilátoru nelze ztrátám energie nikdy zabránit, a vzniká tak tlumené kmitání. Amplituda výchylky se postupně zmenšuje.
K tlumení by u oscilátoru docházelo i ve vakuu.
Obr. 2: Časový diagram výchylky tlumeného kmitání
V praxi se tlumení používá například u tlumičů (např. u pérování automobilu).
Měření M.6 → Přeměny energie
Úlohy:
1. S jakou periodou se mění potenciální energie pružnosti, popř. kinetická energie, ve srovnání s periodou vlastního kmitání netlumeného mechanického kmitání?
2. Pružina se po zavěšení tělesa o hmotnosti 100 g prodloužila o 40 mm. Určete energii kmitání tohoto oscilátoru po vychýlení z rovnovážné polohy o 5 cm.
3. Dvě tělesa o hmotnostech m a 2m jsou zavěšena na pružiny o stejné tuhosti a kmitají se stejnou amplitudou. Jak se liší jejich energie kmitání? Odpověď zdůvodněte.
4. Proč k tlumení oscilátoru dochází i ve vakuu?
