Сделаем такой опыт: проткнём спицей парафиновую свечу посередине перпендикулярно её оси, положим концы спицы на два стеклянных стакана, чтобы уменьшить трение, и зажжём свечу с обоих концов. Через некоторое время она приходит в движение и начинает раскачиваться всё сильнее и сильнее! В чём же тут дело?

Пусть правый конец свечи чуть тяжелее левого и опустился вниз, при этом пламя начинает быстрее расплавлять парафин. Его капли падают вниз, масса правого конца уменьшается, и теперь левый конец перевешивает и опускается вниз. Капли стекают с левого конца, теперь перевешивает и опускается правый конец, и дальше весь цикл колебаний повторяется снова и снова.

И вот мы получили простое качественное объяснение явления, но для физика исследование здесь только начинается, и он задаёт новые вопросы: почему свеча раскачивается всё сильнее? Чем определяется амплитуда установившихся колебаний? Чем определяется их частота?

Так как мы не знаем, насколько один конец свечи перевешивает другой, и как соответствующий момент силы тяжести зависит от времени, мы решили заменить качающуюся свечу подходящей механической моделью в программе «Живая физика». В первой модели груз перемещался с одной стороны равноплечего коромысла на другую с постоянной частотой, но вместо того, чтобы колебаться, коромысло рывками медленно вращалось в одну сторону.

И тут мы заметили, что сверху на обоих концах свечи образовались глубокие выемки. За счёт этого центр тяжести свечи понизился, и теперь у неё появилась собственная частота колебаний, как у обычного маятника. Горящая свеча качается практически с той же самой частотой. Однако это не резонанс — здесь нет внешней силы, которая действует в такт с собственными колебаниями свечи. Мы имеем дело с автоколебаниями, в которых источником энергии служит сила тяжести, а клапаном являются капли парафина, срывающиеся вниз в нужной фазе колебаний.

Осознав всё это, мы придумали новую модель в «Живой физике», в которой с концов коромысла свисают грузы, а между углами их отклонения и углом наклона коромысла установлена обратная связь, чтобы центр тяжести системы колебался вправо-влево в нужной фазе. И эта простая механическая модель отлично имитирует качания свечи, которые обеспечиваются гораздо более сложными процессами горения и плавления парафина!

Остаётся добавить, что исследование этого красивого явления вполне подходит для проектной работы в школе, а глубина продвижения может быть самой разной в зависимости от уровня понимания физики учащимся.

Смотрите наш новый ролик «Свеча-маятник» и не забывайте ставить лайки!