Два почти одинаковых маятника могут по очереди раскачиваться и затихать, если между ними есть слабая механическая связь. Такая настольная установка показывает нормальные моды и биения. Она не копирует маятник Вилберфорса, где связаны продольное и крутильное движения, но объясняет общий механизм обмена энергией.
Что понадобится
- две одинаковые лёгкие шайбы или мягкие грузики;
- две нити одинакового типа;
- прочный шнур для общей горизонтальной опоры;
- две устойчивые настольные стойки или штатные лабораторные зажимы;
- линейка и секундомер.
Не используйте стекло, острые детали и тяжёлые грузы. Установка должна стоять вдали от края стола, а траектория маятников — не пересекаться с лицом и руками наблюдателя.
Сборка
Натяните общий шнур между стойками так, чтобы он мог немного двигаться, но не провисал до стола. Подвесьте к нему два маятника на отдельных нитях. Начните с длины порядка нескольких десятков сантиметров и оставьте между грузами достаточно места.
Измеряйте длину от точки подвеса до центра груза. Сделайте её одинаковой у обоих маятников. Узлы должны быть надёжными, а грузы — не касаться стола и друг друга при небольшом отклонении.
Настройка периодов
Сначала временно придержите один маятник и слегка отклоните другой. Измерьте время десяти полных колебаний и разделите на десять. Повторите для второго.
Если периоды различаются, понемногу меняйте длину одной нити. Идеальная точность не нужна, но чем ближе периоды, тем заметнее будет передача энергии.
Основное наблюдение
Отклоните первый маятник на небольшой угол и отпустите без толчка. Второй оставьте в покое. Первый заставит общую опору едва двигаться, а она начнёт раскачивать второй.
Амплитуда первого постепенно уменьшится, а второго — вырастет. Затем направление передачи изменится. Из-за трения и сопротивления воздуха колебания в целом будут затухать, поэтому полного и бесконечного обмена ждать не нужно.
Откуда берутся биения
У системы есть два простых совместных движения. В одной нормальной моде маятники качаются примерно в одну сторону, в другой — в противоположные. Частоты этих мод немного различаются из-за связи через опору.
Запуск только одного маятника возбуждает обе моды сразу. Иногда их движения складываются в первом маятнике и вычитаются во втором, а спустя время — наоборот. Медленное чередование амплитуд и есть биение.
Что изменить в следующей серии
Попробуйте по одному менять параметры:
- слегка укоротить одну нить;
- сильнее или слабее натянуть общую опору;
- увеличить расстояние между точками подвеса;
- заменить один груз на немного отличающийся по массе.
Записывайте, насколько полно передаётся движение и сколько времени занимает один цикл биений. Так опыт показывает не только красивый эффект, но и роль настройки, силы связи и потерь в реальной колебательной системе.