На практике в колебательных системах существуют различные силы: силы сопротивления различной среды, силы трения. Поэтому механическая энергия системы здесь расходуется на преодоление этих сил, амплитуда колебаний системы будет уменьшаться, и с течением времени они совсем затухнут. Подобные колебания, называются затухающими колебаниями. В данном случае, мы наблюдаем свободные колебания, которые происходят за счет начального запаса энергии. Необходимо отметить, что, чем значительнее силы сопротивления среды (чем больше коэффициент затухания), тем скорее затухают колебания (рисунок 1). 

Например, в водной среде колебания прекратятся быстрее, чем в воздушной среде.

Чтобы избежать затухания, на тело, совершающее колебание, необходимо оказать периодическое воздействие внешнего тела. При этом колебания перестанут быть свободными и станут вынужденными.

Вынужденные колебания представляют собой гармонические колебания с частотой, равной частоте вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна амплитуде вынуждающей силы.

Рассмотрим на примере зависимость амплитуды вынужденных колебаний от связи между частотой вынуждающей (внешней) силы и частотой колебательной системы (рисунок 2).

Подвесим на нитях, которые прикреплены к общему шнуру, два маятника: длина первого маятника постоянна, и ей соответствует некая собственная частота колебаний. Длину второго маятника будем регулировать, подтягивая нить, при этом будет меняться и его собственная частота колебаний. Приводим в движение второй маятник, он через перекладину воздействует на первый маятник с определенной вынуждающей силой, которая изменяется с такой же частотой, с какой совершает колебания второй маятник. Изменяя длину второго маятника, можем наблюдать изменение амплитуды колебаний первого маятника, вплоть до достижения максимальной величины.

а) длина маятника 2 минимальная - амплитуда колебаний маятника 1 небольшая;

б) длину маятника 2 увеличили - амплитуда колебаний маятника 1 возросла;

в) длина маятника 2 равна длине маятника 1 - амплитуда колебаний маятника 1 максимальная.

Основное отличие вынужденных колебаний от свободных состоит в том, что при свободных колебаниях система получает энергию только один раз, когда она выводится из положения равновесия, а при вынужденных колебаниях энергия пополняется постоянно за счет работы вынуждающей силы.

Вынужденные колебания обладают рядом особенностей. Вначале, в процессе установления вынужденных колебаний, они носят сложный характер: происходит наложение свободных затухающих и вынужденных колебаний. Но после затухания свободных колебаний останутся только вынужденные колебания (рисунок 3).

При приближении частоты изменения прилагаемой к системе внешней силы и собственной частоты колебаний системы наблюдается явление резонанса.

Явление возрастания амплитуды колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебательной системы называетсярезонансом.

Резонанс может возникнуть и в случае, когда частота вынуждающей силы кратна собственной частоте колебаний системы.

Явление резонанса носит как вредный, так и полезный характер:

1) недостаток - резонанс может стать причиной разрушения различных сооружений и механизмов, если собственные частоты их колебаний совпадут с частотой периодически действующей силы, например, прямо в воздухе может развалиться на части самолет, железнодорожные рельсы могут разрушиться. Именно поэтому колонна солдат переходит мост не строевым шагом, а вольным шагом.

2) достоинство резонанса – возможность получить даже с помощью малой силы значительное увеличение амплитуды колебаний.

ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ.

Свободные колебания происходят за счет начального запаса энергии.

Чтобы избежать затухания, на тело, совершающее колебание, необходимо оказать периодическое воздействие внешнего тела. При этом колебания перестанут быть свободными и станут вынужденными. Существует зависимость амплитуды вынужденных колебаний от связи между частотой вынуждающей (внешней) силы и частотой колебательной системы.

При приближении частоты изменения прилагаемой к системе внешней силы и собственной частоты колебаний системы наблюдается явление резонанса.