Тело или систему тел можно «заставить» совершать колебания, прикладывая внешнюю периодическую силу. Скажем, качели можно раскачивать, периодически подталкивая ее. Колебания, происходящие под действием внешних сил, которые периодически меняются, называют вынужденными.
Частота свободных колебаний определяется характеристиками системы. Частота вынужденных колебаний любой колебательной системы всегда равна частоте внешней силы.
Амплитуда вынужденных колебаний не уменьшается со временем, даже если в системе имеется трения, так как потери механической энергии, обусловленные трением, заполняются за счет работы внешних сил.
Вынужденные колебания широко применяются в различных вибрационных машинах, с помощью которых уплотняют почву и бетон, забивают сваи в твердый грунт, бурят горные породы, прокладывают водопроводные трубы под землей.
Резонанс.
Раскачивая качели, желательно толкать ее в такт с ее собственной частотой: в таком случае раскачивания будет наиболее эффективным. Этот факт указывает на то, что амплитуда вынужденных колебаний существенно зависит от частоты внешней силы. Опыты показывают, что амплитуда вынужденных колебаний тем больше, чем ближе частота внешней силы к собственной частоте колебаний.
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний вследствие совпадении частоты внешней силы с собственной частотой системы называется резонансом.
В случае резонанса направления внешней силы совпадает с направлением движения, поэтому вдоль каждого колебания внешняя сила совершает положительную работу. Именно эта «согласованность» и предопределяет резонанс. Если же частота внешней силы отличается от собственной частоты системы, внешняя сила направлена то в направлении движения, то против него. В результате действие внешней силы будет значительно менее эффективной.
График зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты изменения внешней силы называют резонансной кривой.
На рисунке построен график зависимости амплитуды колебаний А от частоты v внешней силы, меняется периодически, при различных сил трения в колебательной системе, собственная частота колебаний которой равна v0. Проанализировав график можно сделать два вывода:
1) наибольшая амплитуда колебаний под действием внешней силы достигается тогда, когда частота изменения внешней силы совпадает с частотой свободных колебаний;
2) чем больше в системе сила трения, тем меньше пик резонансной кривой, т.е. слабее выражен резонанс.