В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Колебание маятника часов какое колебание?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.
ЧАСЫ С МАЯТНИКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ
Эти часы по устройству двигателя, зубчатой передачи и спускового механизма почти не отличаются от часов с балансовой колебательной системой, но имеют некоторые специфические особенности.
К этой группе относятся все часы, у которых маятник служит в качестве регулятора хода часов. Особенностью этой группы часов является то, что при работе они должны быть установлены неподвижно в вертикальном положении.
Время, за которое маятник совершает полное колебание, называется периодом колебания маятника. Период колебания маятника зависит от его длины, считая от места прикрепления стержня маятника к часам до диска маятника. Чем длиннее маятник, тем медленнее совершаемое им колебание, и, наоборот, чем он короче, тем колебание быстрее.
Например, часы отстают в сутки на 1 мин, значит, длина маятника больше, чем должна быть, следовательно, период колебания слишком велик и надо уменьшить длину маятника. Для этого диск маятника следует поднять вверх. Длину маятника устанавливают путем проверки хода часов.
Маятник, который делает в один час 3600 колебаний в обе стороны, т. е. в секунду одно колебание, называется секундным. Длина секундного маятника от верхнего отверстия подвеса до среднего груза-линзы 994 мм, т. е. почти 1 м. Маятник, делающий два колебания в секунду, называется полусекундным маятником; длина его около 248,5 мм.
Находясь, в состоянии покоя, маятник сохраняет вертикальное положение. Когда маятник выведен из состояния покоя, он возвращается к положению равновесия благодаря силе тяжести и эластичности подвеса. Однако при движении маятник по инерции пройдет точку равновесия и отклонится в обратную сторону почти на такое же расстояние, на которое был отклонен первоначально. Для того чтобы колебания маятника не затухали, стержень его входит в разрез вилки, установленной на оси якоря (скобки), связанной с анкерным колесом.
Анкерное колесо под действием заведенной пружины через равные промежутки времени сообщает импульс якорю с вилкой, которые поддерживают колебательные движения маятника. Когда маятник начинает отклоняться от одного крайнего положения в другое, он поворачивает и анкерную вилку, которая, в свою очередь, поворачивает якорь.
В это время зуб анкерного колеса скользит по поверхности покоя входного плеча якоря и у самого выхода толкает якорь и тем самым вилку в момент, когда маятник еще не дошел до положения равновесия. Правой стороной паз вилки ударяется
о стержень погона, отбрасывая маятник в противоположную сторону. Впереди стоящий зуб ходового колеса падает на поверхность плеча покоя выходной плоскости якоря (скобки). Пока маятник продолжает свой путь, поверхность покоя выходной плоскости якоря скользит по зубу анкерного колеса.
Колесная система в это время остается неподвижной, она приходит в движение тогда, когда зуб, сойдя с плоскости покоя, сообщает якорю импульс. Маятник, дойдя до крайнего положения, возвращается под действием анкерной вилки, и весь процесс повторяется.
Точность отсчета времени часового механизма возможна только в том случае, когда маятник в единицу времени будет совершать строго установленное количество колебаний. В частности, на точность хода часов влияет температура. Например, при повышении температуры часы обычно отстают, а при понижении — спешат. Это происходит вследствие того, что стержень маятника, как и все тела, деформируется под воздействием температуры. Для того чтобы изменения температуры не влияли на точность показания часов, применяют компенсационные маятники. В этом случае стержень маятника изготовляют из дерева (ель, сосна);, при повышении температуры оно расширяется в два, три раза меньше металла. Чтобы в поры дерева не проникла влага, стержень пропитывают масляным лаком.
Чтобы отрегулировать точность хода настенных часов, нужно поднять (когда часы отстают) или опустить (когда часы спешат) груз (диск) с помощью гайки, находящейся на стержне маятника и поддерживающей диск.
Колебания маятника часов , стенных и карманных, — типичные примеры автоколебаний. [1]
Хотя амплитуда колебаний маятника часов и не зависит от начальных условий, но для того, чтобы часы пошли, маятнику нужно сообщить начальный толчок. Это, однако, не является обязательным для всякой автоколебательной системы. Во многих автоколебательных системах колебания могут возникнуть без всякого начального толчка. Примером этого может служить зажим Прони, в котором при малых оборотах вала колебания возникают без начального толчка. Как мы видели ( § 53), это обусловлено тем, что на падающем участке характеристики трения состояние равновесия оказывается неустойчивым. Достаточно самых малых отклонений системы от состояния равновесия, чтобы колебания в ней начали нарастать, — происходит самовозбуждение колебаний. Когда амплитуды колебаний зажима возрастут, изменения скорости выйдут за пределы падающего участка характеристики, и потери на трение увеличатся. Дальнейшее нарастание колебаний прекратится — автоматически установятся колебания такой амплитуды, при которой увеличение энергии за часть периода компенсирует потери энергии за другую часть периода. [2]
Среди разнообразных физических явлений в окружающем нас мире мы часто наблюдаем периодические или почти периодические процессы: восход и заход Солнца, волнение на море, колебания маятника часов , переменный электрический ток, электромагнитные волны, колебания молекул в твердом теле, — примеры можно было бы продолжать до бесконечности. [3]
Среди разнообразных физических явлений в окружающем нас мире мы часто наблюдаем периодические или почти периодические процессы: восход и заход солнца, волнение на море, колебания маятника часов , переменный электрический ток, электромагнитные волны, колебания молекул в твердом теле — примеры можно было бы продолжать до бесконечности. [4]
В различного типа часах колеблющийся маятник приводит в движение определенные детали механизма, благодаря которым направление действия внешней силы оказывается всегда совпадающим с направлением движения маятника; внешняя сила ( от сжатой пружины или опускающейся гири) совершает положительную работу за оба полупериода колебаний маятника часов . [5]
В явлениях природы, в науке и технике мы очень часто встречаемся с различными колебательными и волновыми движениями. К таким движениям относятся известные всем колебания маятника часов , колебания струны, движение волн на поверхности воды, распространение радиоволн и многие другие. Звук также представляет собой волновое движение. Звуковые волны возникают и распространяются не только в воздухе и других газах, но и в жидкостях и твердых телах. Чтобы понять особенности звуковых явлений, происходящих в различных средах, необходимо ясно себе представить, что такое колебания, что такое волновое движение. Поэтому прежде всего следует напомнить основные свойства и законы, которыми характеризуются колебательные и волновые движения. [6]
В явлениях природы, в науке и технике мы очень часто встречаемся с различными колебательными и волновыми движениями. К таким движениям относятся известные всем колебания маятника часов , колебания струны, движение волн на поверхности воды, распространение радиоволн и многие другие. Звук также представляет собой волновое движение. Звуковые волны возникают и распространяются не только в воздухе и других газах, но и в жидкостях и твердых телах. Чтобы понять особенности звуковых явлений, происходящих в различных средах, необходимо ясно себе представить, чтб Такое колебания, что такое волновое движение. Поэтому прежде всего следует напомнить основные свойства и законы, которыми характеризуются колебательные и волновые движения. [7]
Это может быть работа какого-либо прибора или механизма, колебание маятника часов , какое-нибудь изменение в свойствах тела и так далее. Началу процесса соответствует в этой системе координата х а и момент времени t, концу — та же самая координата х х а и момент времени tf — Относительно системы К точка, в которой происходит процесс, перемещается. [8]
При невозможности получить хронометр можно пользоваться хорошими стенными часами, имеющими секундный или полусекундный маятник. Поверка секундомера в этом случае делается путем счета числа колебания маятника часов с одновременной отметкой времени по секундомеру. [9]
Изменив положение чечевицы на стержне маятника, можно изменить период его колебаний и тем самым отрегулировать ход часов. Объясняется это тем, что g зависит от расстояния до центра Земли. С удалением от Земли, g уменьшается, а следовательно, возрастает период колебаний маятника часов . Маятники часов ( настенных и наручных) отмеряют равные промежутки времени, значение этих промежутков времени у часов различных типов может быть различным. В привычные нам секунды, минуты, часы эти равномерные тик-так преобразуются за счет движения многочисленных зубчатых колес в механизме часов. Каждый, кто качался на качелях, знает, что размах колебаний можно увеличить, если, находясь в высшей точке, согнуть колени, присесть, а по мере приближения качелей к положению равновесия — выпрямиться в полный рост. [10]
Вспомните, с каким волнением мы глядим на стрелку часов, когда боимся, куда-нибудь опоздать. Иной раз одного взгляда на часы достаточно, чтобы успокоиться: «Нет, еще не поздно, успею». Исправным часам мы верим всегда. Откуда такая уверенность, что часы не подведут?
Работа часов основывается на колебаниях маятника
Все дело в маятнике. Главная деталь часов, кроме самых примитивных, это маятник. Огромные башенные часы, ходики, будильники, все типы ручных и карманных часов имеют маятник. А движение маятников подчиняется одним и тем же неизменным физическим законам. Мы доверяем часам потому, что движением стрелок заведует маятник. Простейший маятник — это шарик, подвешенный на нити.
Если отвести шарик в сторону и отпустить его, то под действием своей тяжести он начнет падать. Но нить держит шарик все время на одном и том же расстоянии, и он вынужден скользить вниз по дуге окружности. Опускаясь, шарик будет ускорять свое движение. И в тот момент, когда шарик окажется в самом нижнем положении, он будет двигаться с наибольшей скоростью. Казалось бы, здесь шарик должен остановиться, так как вся так называемая потенциальная энергия его, запасенная при подъеме, теперь израсходовалась. Но на самом деле шарик не останавливается, он по инерции поднимается кверху. Однако при подъеме его движение замедляется. Наконец, потеряв скорость и заняв самое высокое положение, шарик на мгновение останавливается. Он полностью израсходовал энергию движения и дальше подниматься не может. Но эта энергия не пропала бесследно, она приняла другой вид. Теперь шарик обладает запасом скрытой энергии, которая снова готова превратиться в энергию движения. И действительно, сделав мгновенную остановку, шарик пускается в обратный путь. Набрав скорость и проскочив самое низкое положение, он летит вверх и снова оказывается в том же месте, откуда началось его движение.
Маятник совершил одно полное колебание, однако движение на этом не закончится. Шарик ритмично будет качаться из стороны в сторону. Вследствие трения нити в точке подвеса и сопротивления воздуха часть энергии движения при каждом колебании переходит в тепло, которое рассеивается.
Чем короче нить маятника, тем больше частота его колебаний
Поэтому размах колебаний будет становиться все меньше и меньше. Но хотя проходимый шариком из стороны в сторону путь с каждым колебанием уменьшается, время, за которое совершается одно колебание, меняться не будет.
Оказывается, при свободных колебаниях маятника любое колебание требует одного и того же по величине промежутка времени, называемого периодом собственных колебаний. Период зависит не от амплитуды колебаний маятника, а от длины нити. Если шарик подвесить на длинную нить, колебания будут совершаться медленно, и период будет продолжительным.
При толчках, согласованных с движением маятника, можно получить незатухающие колебания; если маятник не подталкивать, колебания будут затухать.
Шарик на короткой нити будет качаться быстрее, и период колебаний будет короче. А чем короче период, тем больше колебаний произойдет за одно и то же время.
Число колебаний в секунду называется частотой. У одного и того же маятника частота всегда одна и та же. Благодаря этому свойству маятника число его колебаний и служит мерой времени.
Если маятник не подталкивать, он в конце концов израсходует первоначальный запас энергии на бесполезные потери и
остановится. Чтобы колебания не затухли, ему нужно периодически сообщать толчки. Каждый толчок это маленькая порция энергии. Если толчки будут согласованы с движением маятника, а энергия их будет в точности восполнять расход энергии на бесполезные потери, размах маятника меняться не будет, амплитуда колебаний останется постоянной. Такие колебания называются незатухающими.
В часах колебания маятника поддерживаются за счет энергии заведенной пружины или опускающейся гири. Если мы забудем завести часы, пружина или гиря в конце концов израсходует весь запах энергии, и часы остановятся.
Колебательные движения, подобные колебаниям маятника, встречаются на каждом шагу. Слетела птица с дерева, и ветка закачалась, как маятник. Раскачивается экипаж на рессорах, катясь по неровной дороге. Дрожит струна, задетая рукой музыканта. Колеблются из стороны в сторону частицы воздуха, когда распространяется звуковая волца. Все эти движения немногим отличаются от колебаний маятника. Даже невидимые колебания электрических зарядов в электрической цепи переменного тока имеют с ними очень большое сходство.
Источник: Ф. Честнов — «В мире радио», 1954г.
Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Колебание маятника часов какое колебание»? Напишите об этом в комментариях.
Загрузка...