Электричество шаг за шагом

Т-151. Вы тронули гитарную струну, и она запела гимн свободным колебаниям. Вы слегка оттянули гитарную струну и передали ей какую-то порцию энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда двигаем по столу книгу, ударяем молотком по гвоздю или ногой по футбольному мячу. В итоге отданная нами энергия частично расходуется, а частично сохраняется. Некоторые накопители энергии природа связала друг с другом особым образом, именно благодаря этой связи и возникают свободные колебания.

Это хорошо видно на примере маятника или струны. Когда мы оттягиваем струну, то энергию захватывает первый из двух главных накопителей — упругая деформация. Это явление сложное, оно связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью. При первой возможности струна вернётся в первоначальное своё состояние и вернёт вложенную в неё энергию.

Вернёт, но кому?

Спортсмен, который обычно прыгает в длину шесть-семь метров, не преодолеет и четырёх, если лишить его возможности разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создаёт некоторый дополнительный запас энергии, который в нужный момент добавляет к силе своих мускулов. Физика очень точно определяет этот дополнительный запас — это не что иное, как кинетическая энергия, ею обладает любое движущееся тело, в нашем примере бегущий человек. Чем больше масса тела и его скорость, тем больше энергетический запас, больше кинетическая энергия. Это легко поймёт тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться бесплатно, за счёт накопленной кинетической энергии. Шофёры хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем сильнее он нагружен, тем труднее его остановить, то есть погасить в тормозах накопленную машиной кинетическую энергию.

Представив читателю два накопителя энергии, можно проследить за свободными колебаниями струны. Натянув струну, мы передали ей порцию энергии. Отпускаем струну, она выпрямляется и при этом набирает скорость — энергия упругой деформации постепенно переходит в кинетическую энергию, в энергию движения. Когда струна проходит среднюю, нейтральную линию, деформации уже нет, а кинетическая энергия максимальна. Из-за неё струна не может остановиться, она продолжает двигаться по инерции, кинетическая энергия вновь переходит в энергию упругой деформации, но уже при отклонении в противоположную сторону. Наконец, кинетическая энергия закончилась, струна на какое-то неуловимое мгновение остановилась и затем пошла в обратную сторону, постепенно набирая скорость. Она опять по инерции проскакивает среднюю линию, приходит в точку, откуда начинала свой путь, и всё повторяется сначала. Струна будет совершать такие свободные колебания, будет двигаться туда-обратно до тех пор, пока не израсходует всю полученную в самом начале порцию энергии, например, израсходует её на то, чтобы преодолевать сопротивление воздуха.