Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Когда мы сгибаем (деформируем, то есть изменяем форму) стальную пружину или сжимаем (деформируем) резиновый мяч, то затрачиваем свою энергию именно на то, чтобы преодолеть силы внутренней упругости. Но затраченная энергия не уходит безвозвратно. Упругое тело, как только у него появится возможность, вернется в первоначальное состояние и почти полностью отдаст полученную энергию.

Лучше всего это видно на примере обычных часов. Заведенная пружина запасает определенную порцию энергии, а затем постепенно отдает ее, вращая многочисленные шестеренки часового механизма. Таким же образом ведет себя и упругая струна: она не потребляет, а лишь накапливает энергию и при первой возможности возвращает ее обратно. Возвращает, но кому?

Спортсмен, который обычно прыгает в длину на 7–8 м, едва перепрыгнет 3–4 м, если его лишить возможности предварительного разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый запас энергии, который в момент прыжка добавляет к силе своих мускулов.

Физика весьма точно определяет этот запас: это не что иное, как кинетическая энергия, которой обладает любое движущееся тело, в том числе и бегущий человек. Чем больше масса тела и скорость его движения, тем больше запас кинетической энергии. Это хорошо поймет тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инерции. Шоферы хорошо знают, что, чем больше скорость автомобиля и чем больше он нагружен, тем труднее его остановить.

Само собой разумеется, что во всех случаях кинетическая энергия не появляется сама собой. Ее накапливают с помощью мускулов, сожженного бензина, взорванного пороха, электрических сил, химических реакций, с помощью самых различных источников, способных работать, толкать, двигать, способных создавать скорость, а значит, и запасать кинетическую энергию.

Теперь можно назвать и второй потребитель энергии в колеблющейся струне. Это — движение. Энергия, которую вы передаете струне во время первого толчка, или какая-то часть ее должна быть затрачена на то, чтобы привести струну в движение, создать у нее некоторый запас кинетической энергии. Правда, запас этот струна долго в себе не хранит.

В процессе колебаний она очень часто останавливается: всякий раз, когда попадает в крайнее правое или крайнее левое положение и после этого начинает двигаться в обратную сторону. Остановка длится ничтожное, неуловимое мгновение, но это настоящая остановка, полная потеря скорости. О колеблющейся струне так и говорят: в крайних точках ее скорость равна нулю. А это означает, что, попав в крайнюю точку, струна полностью теряет свой запас кинетической энергии, точнее, полностью отдает его. Кому?

Мы с вами познакомились с двумя потребителями энергии, которые существуют в натянутой струне. Было отмечено, что ни один из этих потребителей полученную энергию вечно в себе не хранит. В обоих случаях мы сказали, что энергия куда-то передается, но не сказали, куда именно. Для того чтобы выяснить это, просмотрим (разумеется, условно) небольшой учебный кинофильм.

…В зале медленно гаснет свет. Звучит музыкальное вступление. На экране одна за другой появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в три ровные горизонтальные линии. Наконец, можно прочесть название фильма: «Свободные колебания струны». Буквы тускнеют, музыка стихает. Звучит голос диктора: «Замечательная техника современного кино позволяет показать колебания обычной струны, замедленные в несколько тысяч раз».

На экране героиня фильма — струна, натянутая вертикально между двумя массивными стойками. Струна неподвижна. Появляется рука с вытянутым указательным пальцем, который оттягивает струну в сторону. На том месте, где только что была струна, остается пунктирная прямая линия. Возле нее возникает надпись: «Положение покоя».

Голос диктора: «Натянув струну, мы затратили какую-то энергию».

Палец отпускает струну. Она начинает сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее возвращаться к своему первоначальному положению, а затем сливается с пунктирной линией.

Диктор объясняет: «Под действием сил упругости струна вернулась в положение покоя. Но она уже не может остановиться: почти вся энергия, которую вы передали струне, теперь превратилась в кинетическую энергию движения. Только потеряв этот подарок, струна сможет вновь обрести покой».

Проскочив пунктирную линию, струна продолжает двигаться дальше и вновь изгибается, но уже в противоположную сторону. Скорость струны уменьшается.