W fizyce istnieją różne rodzaje oscylacji, charakteryzujące się określonymi parametrami. Rozważ ich główne różnice, klasyfikację według różnych czynników.
Podstawowe definicje
Pod wahaniami rozumie się proces, w którym w regularnych odstępach czasu główne cechy ruchu mają te same wartości.
Oscylacje okresowe to takie, w których wartości podstawowych wielkości powtarzają się w regularnych odstępach czasu (okres oscylacji).
Odmiany procesów oscylacyjnych
Rozważmy główne typy oscylacji, które istnieją w fizyce fundamentalnej.
Drgania swobodne to te, które występują w systemie, który nie jest poddawany zewnętrznym wpływom zmiennych po początkowym wstrząsie.
Przykładem swobodnych oscylacji jest wahadło matematyczne.
Tego rodzaju drgania mechaniczne, które występują w systemie pod wpływem zewnętrznej siły zmiennej.
Cechy klasyfikacji
Ze względu na naturę fizyczną rozróżnia się następujące rodzaje ruchów oscylacyjnych:
- mechaniczny;
- termiczne;
- elektromagnetyczny;
- mieszane.
Zgodnie z opcją interakcji z otoczeniem
Rodzaje wahań interakcji z otoczeniem są podzielone na kilka grup.
Wymuszone oscylacje pojawiają się w systemie pod działaniem zewnętrznego działania okresowego. Jako przykłady tego rodzaju oscylacji możemy rozważyć ruch rąk, liści na drzewach.
Dla wymuszonych oscylacji harmonicznych może pojawić się rezonans, w którym przy równych wartościach częstotliwości oddziaływania zewnętrznego i oscylatora, z gwałtownym wzrostem amplitudy.
Drgania własne w układzie pod wpływem sił wewnętrznych po wyprowadzeniu go z równowagi. Najprostszym wariantem drgań swobodnych jest ruch ładunku zawieszonego na gwincie lub przymocowanego do sprężyny.
Samooscylacje to typy, w których system ma określoną ilość energii potencjalnej wykorzystywanej do wywoływania oscylacji. Ich cechą wyróżniającą jest to, że amplituda charakteryzuje się właściwościami samego układu, a nie warunkami początkowymi.
W przypadku losowych wahań obciążenie zewnętrzne ma losową wartość.
Podstawowe parametry ruchów oscylacyjnych
Wszystkie tryby wibracji mają pewne cechy, o których należy osobno wspomnieć.
Amplituda to maksymalne odchylenie od pozycji równowagi, odchylenie o zmiennej wartości, mierzone w metrach.
Okres to czas jednego pełnego zamachu, przezktóry powtarza charakterystykę systemu, jest obliczany w sekundach.
Częstotliwość jest określana przez liczbę oscylacji na jednostkę czasu, jest odwrotnie proporcjonalna do okresu oscylacji.
Faza oscylacji charakteryzuje stan systemu.
Charakterystyka drgań harmonicznych
Takie rodzaje oscylacji występują zgodnie z prawem cosinusa lub sinusa. Fourierowi udało się ustalić, że wszelkie okresowe oscylacje mogą być reprezentowane jako suma zmian harmonicznych poprzez rozwinięcie pewnej funkcji w szereg Fouriera.
Jako przykład rozważ wahadło z określonym okresem i częstotliwością cykliczną.
Co charakteryzuje tego typu wahania? Fizyka uważa wahadło matematyczne za wyidealizowany układ, który składa się z punktu materialnego, zawieszonego na nieważkości, nierozciągliwej nici, oscylującego pod wpływem grawitacji.
Takie rodzaje wibracji mają określoną ilość energii, są powszechne w naturze i technologii.
Przy długotrwałym ruchu oscylacyjnym zmienia się współrzędna jego środka masy, a przy prądzie zmiennym zmienia się wartość prądu i napięcia w obwodzie.
Istnieją różne rodzaje drgań harmonicznych z natury fizycznej: elektromagnetyczne, mechaniczne itp.
Wstrząsanie pojazdu poruszającego się po wyboistej drodze działa jak wymuszone oscylacje.
Główne różnice między wymuszonym a wolnymwahania
Te rodzaje oscylacji elektromagnetycznych różnią się właściwościami fizycznymi. Obecność średnich oporów i sił tarcia prowadzi do tłumienia drgań swobodnych. W przypadku wymuszonych oscylacji straty energii są kompensowane przez jej dodatkowe zasilanie z zewnętrznego źródła.
Okres wahadła sprężynowego odnosi się do masy ciała i sztywności sprężyny. W przypadku wahadła matematycznego zależy to od długości nici.
Ze znanym okresem możesz obliczyć częstotliwość drgań własnych układu oscylacyjnego.
W technologii i naturze występują wahania o różnych wartościach częstotliwości. Na przykład wahadło, które oscyluje w katedrze św. Izaaka w Petersburgu, ma częstotliwość 0,05 Hz, podczas gdy dla atomów jest to kilka milionów megaherców.
Po pewnym czasie obserwuje się tłumienie oscylacji swobodnych. Dlatego w praktyce stosuje się oscylacje wymuszone. Są poszukiwane w różnych maszynach wibracyjnych. Młot wibracyjny to maszyna wibracyjna przeznaczona do wbijania w ziemię rur, pali i innych konstrukcji metalowych.
Drgania elektromagnetyczne
Charakterystyka trybów oscylacji obejmuje analizę głównych parametrów fizycznych: ładunku, napięcia, natężenia prądu. Jako elementarny układ, który służy do obserwowania oscylacji elektromagnetycznych, jest obwodem oscylacyjnym. Powstaje przez szeregowe połączenie cewki i kondensatora.
Gdy obwód jest zamknięty, wolna elektromagnetycznafluktuacje związane z okresowymi zmianami ładunku elektrycznego na kondensatorze i prądu w cewce.
Są darmowe, ponieważ podczas ich wykonywania nie ma żadnego wpływu zewnętrznego, a jedynie energia zmagazynowana w samym obwodzie jest wykorzystywana.
Jeżeli przyjmiemy rezystancję cewki jako zero i przyjmiemy okres oscylacji jako T, możemy rozważyć jedną kompletną oscylację wykonaną przez system.
W przypadku braku wpływu zewnętrznego, po pewnym czasie obserwuje się tłumienie oscylacji elektromagnetycznych. Przyczyną tego zjawiska będzie stopniowe rozładowywanie się kondensatora, a także rezystancja, jaką faktycznie ma cewka.
Dlatego w rzeczywistym obwodzie występują drgania tłumione. Zmniejszenie ładunku na kondensatorze prowadzi do zmniejszenia wartości energii w porównaniu z jej pierwotną wartością. Stopniowo będzie uwalniany jako ciepło na przewodach łączących i cewce, kondensator zostanie całkowicie rozładowany, a oscylacja elektromagnetyczna zostanie zakończona.
Znaczenie wahań w nauce i technologii
Wszelkie ruchy, które mają pewien stopień powtarzalności, są oscylacjami. Na przykład wahadło matematyczne charakteryzuje się systematycznym odchyleniem w obu kierunkach od pierwotnej pozycji pionowej.
W przypadku wahadła sprężynowego jeden pełny obrót odpowiada jego ruchowi w górę i w dół od pozycji wyjściowej.
W obwodzie elektrycznym, który ma pojemność i indukcyjność, powtarzane jest ładowanie włączonepłyty kondensatorów. Jaka jest przyczyna ruchów oscylacyjnych? Wahadło działa dzięki temu, że grawitacja powoduje powrót do pierwotnej pozycji. W przypadku modelu sprężynowego podobną funkcję spełnia siła sprężystości sprężyny. Przechodząc przez pozycję równowagi, ładunek ma określoną prędkość, dlatego przez bezwładność przesuwa się poza stan średni.
Oscylacje elektryczne można wytłumaczyć różnicą potencjałów istniejącą między płytkami naładowanego kondensatora. Nawet gdy jest całkowicie rozładowany, prąd nie znika, jest ponownie ładowany.
Nowoczesna technologia wykorzystuje fluktuacje, które różnią się znacznie pod względem charakteru, stopnia powtarzalności, charakteru, a także „mechanizmu” wyglądu.
Wibracje mechaniczne są wytwarzane przez struny instrumentów muzycznych, fale morskie, wahadło. Podczas przeprowadzania różnych oddziaływań brane są pod uwagę wahania chemiczne związane ze zmianą stężenia reagentów.
Drgania elektromagnetyczne umożliwiają tworzenie różnych urządzeń technicznych, takich jak telefony, ultradźwiękowe urządzenia medyczne.
Wahania jasności cefeid są szczególnie interesujące w astrofizyce, a naukowcy z różnych krajów je badają.
Wniosek
Wszystkie rodzaje oscylacji są ściśle związane z ogromną liczbą procesów technicznych i zjawisk fizycznych. Ich praktyczne znaczenie ma ogromne znaczenie w budownictwie lotniczym, stoczniowym, budowie osiedli mieszkaniowych, elektrotechnice, radioelektronice, medycynie i naukach podstawowych. Przykład typowego procesu oscylacyjnego wfizjologia sprzyja ruchowi mięśnia sercowego. Drgania mechaniczne można znaleźć w chemii organicznej i nieorganicznej, meteorologii i wielu innych naukach przyrodniczych.
Pierwsze badania wahadła matematycznego przeprowadzono w XVII wieku, a pod koniec XIX wieku naukowcom udało się ustalić naturę oscylacji elektromagnetycznych. Rosyjski naukowiec Aleksander Popow, uważany za „ojca” komunikacji radiowej, przeprowadził swoje eksperymenty właśnie w oparciu o teorię oscylacji elektromagnetycznych, wyniki badań Thomsona, Huygensa i Rayleigha. Udało mu się znaleźć praktyczne zastosowanie oscylacji elektromagnetycznych, aby wykorzystać je do przesyłania sygnału radiowego na duże odległości.
Akademik P. N. Lebedev przez wiele lat prowadził eksperymenty związane z wytwarzaniem oscylacji elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości przy użyciu przemiennych pól elektrycznych. Dzięki licznym eksperymentom związanym z różnego rodzaju drganiami naukowcom udało się znaleźć obszary do ich optymalnego wykorzystania we współczesnej nauce i technice.
