Особенностью этих приборов является высокая точность отсчета времени при самых различных отсчитываемых промежутках.
Приборы данной группы получают все большее распространение как в технике, так и в быту.
§ 2. Гармонические колебания
Время измеряется путем регистрации периодически повторяющихся действий элементов приборов времени.
В современных приборах времени такие периодически повторяющиеся действия совершаются специальными элементами, способными при определенных условиях производить гармонические колебательные движения.
Для того чтобы уяснить работу часов, необходимо проследить за работой этих элементов.
На фиг. 1 показан пружинный маятник, с помощью которого можно пояснить гармоническое колебательное движение.
Фиг. 1. Пружинный маятник
Верхний конец пружины жестко закреплен, а к нижнему подвешен груз А.
Под действием груза пружина получит некоторое растяжение.
Если груз, находящийся в состоянии покоя, толчком переместить в направлении вертикали, как указано штриховой стрелкой, то груз переместится на некоторое расстояние.
Величина перемещения груза будет зависеть от силы полученного толчка и сопротивления пружины. В нижней точке В эти две силы будут уравновешивать друг друга. Возврат груза происходит за счет упругой реакции пружины.
Сила реакции пружины может быть столь значительной, что груз не только будет возвращен в исходное положение, но и поднят выше. Груз, переместившись выше положения покоя, остановится в положении Б и под действием силы тяжести устремится опять вниз, вызвав при этом растяжение пружины, и вновь пройдет положение покоя и т. д. Под действием толчка возникает гармонический колебательный процесс перемещения груза на какой-то период времени. По мере прохождения времени путь перемещения груза будет уменьшаться и в конечном счете он займет положение, из которого был выведен толчком. Процесс затухания колебательного движения происходит в результате затраты энергии пружины на преодоление сопротивления воздуха перемещению груза и преодоление внутренней реакции самой пружины.
Затухание колебаний груза может и не произойти, если толчок или так называемый импульс силы, выводящий груз из состояния покоя, периодически будет повторяться. Если повторяющийся импульс силы по своей величине не будет превышать сил трения, противодействующих перемещению груза, то в этом случае груз будет колебаться, перемещаясь между двумя точками — верхней Б и нижней В.
Путь перемещения груза между этими точками, или размах, принято называть амплитудой колебания. Время, прошедшее от начала перемещения груза до его возврата в исходную точку, принято называть периодом колебания Т.
Перемещение между двумя крайними точками Б к В происходит за половину периода — Т/2.
Аналогичное явление можно наблюдать, если на одном конце нерастяжимой нити (фиг. 2) подвесить небольшой груз А, а второй конец закрепить неподвижной точке О. Нить под действием груза займет вертикальное положение. На нить будет действовать сила тяжести Р. Такое состояние подвешенного груза называют состоянием покоя. Отведя груз на некоторый угол от положения покоя и отпустив его, последний начнет колебаться.
Фиг. 2. Схема колебания маятника
Груз А под действием силы тяжести Р будет стремиться занять наинизшее положение. При своем движении груз получит ускорение и, достигнув точки покоя, не остановится, а будет двигаться дальше. Удерживаемый нитью, он при этом переместится вверх. Затрачивая полученное ускорение на подъем, груз вновь остановится в какой-то крайней точке.
Совершив некоторое количество перемещений, груз остановится и займет исходное положение, т. е. положение покоя. Процесс перемещения груза будет гармоническим колебательным движением.
Наблюдая за колебательными движениями подвешенного груза, можно установить, что крайние точки отклонения его будут каждый раз смещаться к вертикали, т. е. колебания будут затухать. Затухания происходят из-за того, что груз испытывает сопротивление воздуха и сопротивление в точке подвеса. На преодоление этих сопротивлений он теряет энергию, полученную при первом толчке. Если толчками извне будет компенсироваться потеря энергии на преодоление сопротивлений, то колебания груза не будут затухать аналогично тому, как это было рассмотрено в случае с пружинным маятником.