ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 25.9: Автоколебания

План решения:

Автоколебания — это незатухающие колебания, которые поддерживаются за счёт энергии внешнего источника (непериодического или периодического с частотой, не равной собственной), причём эта энергия поступает в систему дискретно или непрерывно благодаря наличию обратной связи и нелинейного элемента. Чтобы привести новые примеры, нужно вспомнить системы из быта, техники или природы, где есть источник энергии, механизм накопления/высвобождения и регулятор (клапан, контакт, трение).

Вычисление и анализ примеров:

• Гитарная струна при игре смычком. Здесь источником энергии является рука музыканта, совершающая работу против силы сухого трения между смычком и струной. Струна имеет собственную частоту колебаний. Обратная связь возникает через переменное трение: когда струна движется вместе со смычком, сила трения максимальна и «тянет» её за собой; когда струна опережает смычок, направление трения меняется, толкая струну обратно к положению равновесия. Это классический пример автоколебаний, вызванных эффектом «прилипание-скольжение».
• Работа термостата утюга или холодильника. Электрическая сеть выступает постоянным источником энергии. Биметаллическая пластина играет роль нелинейного элемента и обратного звена: она нагревается от спирали, деформируется и размыкает цепь, когда температура достигает заданного значения. Затем пластина остывает, замыкает цепь снова. Колебания температуры вокруг заданного значения являются автоколебательными процессами.
• Свисток чайника или духовой инструмент (флейта). Поток воздуха под давлением создаёт энергию для колебаний. В свистке струя воздуха ударяется о край, порождая завихрения. Эти завихрения модулируют поток воздуха, входящего в резонатор, синхронизируя его с собственной частотой акустической полости. Без внешней подачи воздуха колебания затухнут, но пока воздух идёт, система генерирует устойчивый звук.

Проверка:

Во всех приведённых примерах выполнены условия возникновения автоколебаний: наличие диссипации (трение, сопротивление воздуха, теплопотери), компенсация потерь за счёт внешнего источника энергии и наличие механизма обратной связи, который управляет поступлением энергии так, чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной. Данные примеры не дублируют стандартные школьные задачи про маятник с часовым механизмом или ламповый генератор, что соответствует условию задания.