Превращение энергии при колебательном движении

Чтобы погрузиться в изучение этой темы, нужно сначала понять, что такое энергия и колебательное движение. 

 
Колебательным движением называется такое движение, которое повторяется с течением времени. К колебательному движению можно отнести дыхание человека, его сердцебиение. 

 
В рамках подготовки к ЕГЭ по физике нужно знать и уметь различать математический маятник и пружинный маятник.

Для этого вида маятника характерны кинетическая энергия и потенциальная энергия. 
 

Вспомним, что для кинетической энергии свойственно наличие скорости у тела, а для потенциальной необходимо, чтобы тело было выше нулевой высоты (наличие высоты). 
 

Поэтому в математическом маятнике при колебательном движении кинетическая энергия превращается в потенциальную и наоборот. 
 

Важно понимать, что у любого маятника есть точка равновесия и крайние положения. Закрашенный шар - точка равновесия, не закрашенные - крайние положения. В точке равновесия высота нулевая, следовательно, потенциальная энергия равна нулю, в таком случае кинетическая энергия максимальная, то есть тело приобретает максимальную скорость. В крайних точках тело имеет максимальную высоту (то есть максимальную координату x), следовательно, потенциальная энергия в крайних точках максимальная, а кинетическая минимальная, так как скорость там равна нулю, но ускорение в крайних точках максимальное, ведь в них тело начинает движение в сторону точки равновесия, то есть начинает увеличиваться скорость. В точке равновесия ускорение минимальное. 

 
Сформируем небольшой вывод: 

 
Точка равновесия: 
• Скорость максимальная  
• Координата минимальная 
• Ускорение минимальное 
• Кинетическая энергия максимальная 
• Потенциальная энергия минимальная 

 
Крайние положения: 
• Скорость минимальная  
• Координата максимальная 
• Ускорение максимальное 
• Кинетическая энергия минимальная 
• Потенциальная энергия потенциальная  
 
Получается, что при движении тела из точки равновесия к крайним точкам кинетическая энергия превращается в потенциальную. При движении от крайних положений к точке равновесия происходит обратное: потенциальная энергия превращается в кинетическую. Но при этом важно понимать, что полная механическая энергия сохраняется.

В пружинном маятнике между собой взаимодействуют кинетическая и потенциальная энергия деформированной пружины. Шарик в положении 2 находится в положении равновесия. Шарики 1 и 3 находятся в крайних точках. Здесь, как и в математическом маятнике, работает всё по тому же принципу. Кинетическая энергия при движении из точки равновесия к крайним точкам превращается в потенциальную энергию деформированной пружины. А потенциальная энергия деформированной пружины превращается в кинетическую при движении из крайних положений к точке равновесия.

Задание 1. Математический маятник совершает колебательное движение. Шарик, находящийся в крайней точке, начинает двигаться к точке равновесия. Как при этом изменяется потенциальная энергия шарика и его ускорение? 
1. Увеличивается 
2. Уменьшается 
3. Не изменяется 
 

Решение: в крайней точке потенциальная энергия максимальная, а в точке равновесия она минимальная, поэтому при таком движении потенциальная энергия уменьшается. Ускорение шарика также будет уменьшаться по тому же принципу. 

 
Ответ: 22  
  
Задание 2. Пружинный маятник совершает колебания. Грузик движется из точки равновесия к крайним точкам. Как изменяются по мере движения жёсткость пружины и кинетическая энергия грузика? 
1. Увеличивается 
2. Уменьшается 
3. Не изменяется 
 

Решение: жёсткость пружины никак не зависит от движения грузика, это постоянная величина, поэтому она не меняется. Кинетическая энергия будет уменьшаться, так как грузик движется к крайней точке, в которой она минимальна. 
 

Ответ: 32