18
Маятник Максвелла
«Важным разделом нашей обязаноностей является постановкаилостративных опытов, поощренные другие к постановке их и развите всевозможными способами освещаемых им们 идеи. Чем проще матерialsилостративного опыта и чем более они прививны учащему, темлубнее он поймет идею, которое долженилострировать этот опыт. Воспитательная ценность таких опытов часто обратно пропорциональна сложности прибора.»
Эти слова Джеймса Клерка Максвелла — великого английского физика, стоятидесятление со дня рождения которого отмечается в этом году, как бы специально предназначаны для Лаборатории «Кванта». В данной статье мы хотим обратиться к прибору, носящему его имя, — к так называемому матринику Максвелла. Несложный в изготовлении, он часто демонстрирует на lekциях по механике и позволяет выявить ряд интересных закономерностей движения твердого тела.
Посмотите на фотографию такого матриника (рис. 1). Это диск, насаженный на ось, к которой привязаны две нити (их верхние концы закреплены). Закрутите нити вокруг оси — диск поднимется. Теперь отпустите матрифик — и он начинает совершать периодическое движение: сначала диск опускается, нити раскручиваются, диск вращается все быстрее и быстрее; дойдя до нижней точки и продолжая по инерции врачается, диск меняет направление своего движения и поднимается в ось, движение диска замедляется; в самом верхней точке матрифик на мгновение останавливается и снова начинает свое движение вниз и т. д.
Сразу хотим предупредить читателей, что матрифик будет колебаться устойчиво и достаочно долго, если соблюдится несколько условия. Сам диск должен быть относительно тяжелым (m>100 г) и большим (динамиром 5—8 см), ось — тонкой (динамиром 4—5 мм) и «невесомой», а нити — прочными и достаочно длиными (~0,5 м). Обратите внимание на то, чтобы диск находился строго посередине оси и был перпендикулярен к ней, а нити имели одинаковые длины.
Для изучения закономерностей движения матрика нам понадобят-
Рис. 1.
Рис. 2.
19
ся часть с секундной стрелкой (конечно, лучше — секундомер) и набор дисков — одного и того же радиуса, но разной толщины (массы), а также различных радиусов, но одной толщины. Диску удобно сделать съемными; один из способов их закрепления на оси показан на фотографии на рисунке 2.
Итак, начнем наши эксперименты. Наблюдения за колебаниями различных магнитков дают первый результат — период колебаний, то есть полное время спуска и подъема магнитка, не зависит от массы диска, а зависит от его радиуса, причем зависит эта — почти пряма пропорциональная.
Далее, легко видеть, что с течение времени колебания довольно заметно затухают, причем чем меньше становится их амплитуда (максимальная высота подъема) и чем меньше скорость вращения диска, тем менее устойчиво ведет себя магниток. Интересно также проделать такой эксперимент: задавая некоторые возможности (то есть вывод магнитка из источного состояния), проследить за их затуханием при движении магнитка. Если, например, в момент запуска слегка повернуть диск в горизонтальной плоскости, то при своем padении он довольно быстро вернется к относительной устойчивому положению. Но если же отклонить магниток в плоскости его вращения, то практические до самого конца движения сохраняются оба колебания: вверх-вниз и в плоскости вращения.
Постараемся теперь обьясить часть наших экспериментальных результатов. Для простоты рассужdenый предположим, что все масса рассматриваемого диска сосредоточена на его поверхности, то есть что магниток — не диск, а обруч.
Обозначим радиус обруча через , а радиус оси — через (рис. 3). Расмотрим магниток в тот момент, когда он опустился на расстояние от верхнего положения. Каждый точка обруча, например точка , одновременно участвует в двух движениях: в построальном движении вместе с осью вниз со скоростью и вращательном со скоростью .
Нить размытается без прокалывания, и это означает, что мгновенная скорость точки равна нулю. Поэтому движение магнитка можно представить и как ряд последовательных поворотов вокруг мгновенного центра вращения . Тогда справедливо равенство
(буквой мы обозначили модуль той или иной скорости). Отсюда
Теперь воспользуемся законом сохранения энергии:
Мы представили кинетическое энергию (правую часть равенства (2)) в виде двух слагаемых — энергии поступательного движения и энергии вращательного движения вектора тяжести*).
Из кинematики известно, что
где — модуль ускорения поступательного движения магнитка.
*) Возможность такого разбиения можно доказать и строго, но интуитивно это ясно и так.
20
Рис. 4.
Таким образом, из уравнения (1) — (3) найдем:
В нашем случае (при этом условии выполняется требование «невесомости» оси), поэтому можно считать, что
Если длина разматывающейся нитли , то и период колебаний матрика равен
Для диск формулы (4) и (5) соответственно преобразуют (см. «Дополнитель»):
Тепер мы можем сравнить результаты расчетов и экспериментов. Из (4’) и (5’) видно, что и ускорение , и период не зависит от массы диска, но зависит от отношения радиусов : чем больше (по сравнению с ), тем меньше ускорение и, соответственно, больше период колебаний. Это действительное согласуется с экспериментом. Но если вы опыты проводили аккуратоно, то заметили, что расчетный период (5’) меньше экспериментального. Это, как уже говорилось, связано с затуханием. А как вы думаете — где именно происходит наиболее подробная погрешность наибольшая погрешность?
Наконец, можно продолжать еще один очень эффективный опит с матриком Максвелла, но для этого необходимо вызывать все (рис. 4). Сначала при неподвижном матрике приведите все в равновесие, а затем отпустите матрик. Равновесие нарушится: матрик как бы станет легче. Почему? Объясните это самостояльно.
Дополнитель
Для тех, кто знаком с интегральным исчислением, приведем вывод формулы кинетической энергии вращающегося диска, откуда будет легко получить формулы (4’) и (5’).
Разобъем диск радиусом на тонких колеси шириной каждое (рис. 5). Кинетическая энергия одного колеса радиусом и шириной равна
где — плотность матриала диска, — его толщина, — угловая скорость вращения, а выражение в скобках — масса выбранного колца.
Рис. 5.
Кинетическая энергия всего диска приближенно равна сумме кинетических энергий отдельных колес:
Если перейти к пределу при , стремится к бесконечности, приближенное равенство становится точным:
Кинетическая энергия вращающегося обруча той же массы равна . Следовательно, кинетическая энергия диска в два раза меньше.
Формулы (4’) и (5’) выведите самостояльно.