Warunki występowania wolnych wahań - Hipermarket Wiedzy. Oscylacje: mechaniczne i elektromagnetyczne. Drgania swobodne i wymuszone. Charakterystyka Warunki występowania drgań mechanicznych
Wykład. 1. Oscylacje. Kształt wibracji. Rodzaje wibracji. Klasyfikacja. Charakterystyka procesu oscylacyjnego. Warunki występowania drgań mechanicznych. Wibracje harmoniczne.
Oscylacje- proces zmiany stanów układu wokół punktu równowagi, który powtarza się w takim czy innym stopniu w czasie. Procesy oscylacyjne są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i technologii, na przykład wahadło zegara, przemienny prąd elektryczny itp. Fizyczna natura oscylacji może być różna, dlatego rozróżnia się oscylacje mechaniczne, elektromagnetyczne itp. Jednak różne oscylacje procesy są opisane tymi samymi cechami i tymi samymi równaniami. Oznacza to celowość ujednoliconego podejścia do badania oscylacji o różnej naturze fizycznej.
Forma wibracyjna może być inaczej.
Oscylacje nazywane są okresowymi, jeśli wartości wielkości fizycznych zmieniające się podczas procesu oscylacji powtarzają się w regularnych odstępach czasu (ryc. 1). (W przeciwnym razie oscylacje nazywane są aperiodycznymi). Zidentyfikowano ważny szczególny przypadek oscylacji harmonicznych (rys. 1).
Oscylacje zbliżające się do harmonicznych nazywane są quasi-harmonicznymi.
Ryc.1. Rodzaje wibracji
Oscylacje o różnej naturze fizycznej mają wiele wspólnych wzorców i są ściśle powiązane z falami. Uogólniona teoria oscylacji i fal bada te wzorce. Zasadnicza różnica w stosunku do fal: podczas oscylacji nie następuje transfer energii, są to lokalne, „lokalne” przemiany energii.
Rodzaje wahanie. Oscylacje są różne Jestem z natury:
mechaniczny(ruch, dźwięk, wibracje),
elektromagnetyczny(na przykład wibracje w obwodzie oscylacyjnym, rezonator wnękowy , wahania natężenia pól elektrycznych i magnetycznych w falach radiowych, falach światła widzialnego i wszelkich innych falach elektromagnetycznych),
elektromechaniczny(drgania membrany telefonicznej, piezokwarcu lub magnetostrykcyjnego emitera ultradźwięków) ;
chemiczny(wahania stężenia reagujących substancji podczas tzw. okresowych reakcji chemicznych);
termodynamiczny(na przykład tak zwany śpiewający płomień itp. termiczny samooscylacje występujące w akustyce, a także w niektórych typach silników odrzutowych);
procesy oscylacyjne w przestrzeni(duże zainteresowanie astrofizyką budzą wahania jasności cefeid (pulsujące zmienne nadolbrzymy, które zmieniają jasność z amplitudą od 0,5 do 2 magnitudo i okresem od 1 do 50 dni);
Zatem oscylacje obejmują ogromny obszar zjawisk fizycznych i procesów technicznych.
Klasyfikacja drgań ze względu na charakter oddziaływania z otoczeniem :
darmowe (lub własne)- są to drgania w układzie pod wpływem sił wewnętrznych, po wyprowadzeniu układu ze stanu równowagi (w warunkach rzeczywistych drgania swobodne są prawie zawsze tłumione).
Np. drgania ładunku na sprężynie, wahadle, moście, statku na fali, sznurku; wahania plazmy, gęstości i ciśnienia powietrza podczas propagacji w niej fal sprężystych (akustycznych).
Aby drgania swobodne były harmoniczne, konieczne jest, aby układ oscylacyjny był liniowy (opisany liniowymi równaniami ruchu) i nie następowało w nim rozpraszanie energii (to ostatnie powoduje tłumienie).
wymuszony- oscylacje występujące w układzie pod wpływem zewnętrznego oddziaływania okresowego. Podczas wymuszonych oscylacji może wystąpić zjawisko rezonansu: gwałtowny wzrost amplitudy oscylacji, gdy częstotliwość drgań własnych oscylatora pokrywa się z częstotliwością wpływu zewnętrznego.
samooscylacje- oscylacje, w których układ posiada rezerwę energii potencjalnej, która jest zużywana na oscylacje (przykładem takiego układu jest zegarek mechaniczny). Charakterystyczną różnicą między oscylacjami własnymi a oscylacjami swobodnymi jest to, że o ich amplitudzie decydują właściwości samego układu, a nie warunki początkowe.
parametryczny- oscylacje powstające, gdy jakikolwiek parametr układu oscylacyjnego zmienia się w wyniku oddziaływania zewnętrznego,
losowy- oscylacje, w których obciążenie zewnętrzne lub parametryczne jest procesem losowym,
związane z tym wibracje- wibracje swobodne wzajemnie połączone systemy, składający się z oddziałujących na siebie pojedynczych układów oscylacyjnych. Powiązane wahania mają złożony wygląd ze względu na fakt, że drgania w jednym układzie wpływają na drgania w innym poprzez sprzężenie (zwykle rozpraszające i nieliniowe)
oscylacje w konstrukcjach o parametrach rozłożonych(długie linki, rezonatory),
fluktuacja, powstające w wyniku termicznego ruchu materii.
Warunki występowania oscylacji.
1. Aby w układzie wystąpiły drgania, należy go wyprowadzić z położenia równowagi. Na przykład dla wahadła, nadając mu energię kinetyczną (uderzenie, pchnięcie) lub potencjalną (odchylenie ciała).
2. Po wyjęciu ciała ze stabilnego położenia równowagi pojawia się wypadkowa siła skierowana w stronę położenia równowagi.
Z energetycznego punktu widzenia oznacza to, że powstają warunki do ciągłego przejścia (energia kinetyczna w energię potencjalną, energia pola elektrycznego w energię pola magnetycznego i odwrotnie).
3. Straty energii układu w wyniku przejścia na inne rodzaje energii (często energię cieplną) są niewielkie.
Charakterystyka procesu oscylacyjnego.
Na rysunku 1 przedstawiono wykres okresowych zmian funkcji F(x), którą charakteryzują następujące parametry:
Amplituda - maksymalne odchylenie zmiennej wielkości od pewnej średniej wartości systemu.
Okres - najkrótszy okres czasu, przez który powtarzają się jakiekolwiek wskaźniki stanu systemu(układ wykonuje jedną pełną oscylację), T(C).
„Wahadło fizyczne i matematyczne” - Zwyczajowo rozróżnia się: Prezentację na temat: „Wahadło”. Wahadło matematyczne. Wykonywane przez Tatianę Yunchenko. Wahadło matematyczne Wahadło fizyczne. Wahadło.
„Rezonans dźwięku” – to samo dzieje się z dwiema jednakowo nastrojonymi strunami. Przesuwając łuk po jednej strunie, wywołamy wibracje na drugiej. Po włączeniu wibracji jednego kamertonu zauważysz, że drugi kamerton zabrzmi sam. Pojęcie. Opracowała: Velikaya Yulia Sprawdziła: Sergeeva Elena Evgenievna Miejska Instytucja Oświatowa „Liceum nr 36” 2011.
„Ruch oscylacyjny” – skrajnie lewa pozycja. Huśtać się. Przykłady ruchów oscylacyjnych. Warunki występowania oscylacji. Przesunięcie amplitudy. V=max a=0 m/s?. Igła do maszyny do szycia. Ruch oscylacyjny. Pozycja równowagi. Gałęzie drzew. V=0 m/s a=maks. Skrajnie prawe stanowisko. Sprężyny samochodowe. Wahadło zegarowe. Cecha ruchu oscylacyjnego.
„Lekcja o drganiach mechanicznych” – Rodzaje wahadeł. W kierunku położenia równowagi. Wibracje swobodne. G. Klin, obwód moskiewski 2012. Przykład: wahadło. Rodzaje układów oscylacyjnych 3. Podstawowe właściwości układów oscylacyjnych 4. Drgania swobodne. Prezentacja na lekcję fizyki. Ukończyła: nauczycielka fizyki Ludmiła Antonevna Demashova. 6. Układ oscylacyjny to układ ciał zdolnych do wykonywania ruchów oscylacyjnych.
„Kołysania wahadła” - cosinus. „Świat, w którym żyjemy, jest zaskakująco podatny na wahania” R. Bishop. Rodzaje wibracji. Podstawowe charakterystyki procesu oscylacyjnego (ruchu). Testy wahadła matematycznego i sprężystego. 7. Ciężar zawieszony na sprężynie wyprowadzono z położenia równowagi i puszczono. Jednostka miary (sekunda s).
„Fizyka drgań mechanicznych” - Porozmawiajmy o wibracjach... Parametry drgań mechanicznych. Wskazuje maksymalne wychylenie ciała z położenia równowagi. Układy oscylacyjne. „Na zamku był wesoły bal, śpiewali muzycy. Okres. Zadanie wideo. Bazhina G.G. – nauczyciel fizyki w Miejskim Ośrodku Oświatowym „GIMNAZJA nr 11” w Krasnojarsku. Wiatr w ogrodzie kołysał lekką huśtawką” Konstantin Balmont.
W sumie dostępnych jest 14 prezentacji na ten temat
2. Moment bezwładności i jego obliczanie
Zgodnie z definicją moment bezwładności ciała względem osi jest równy sumie iloczynów mas cząstek przez kwadraty ich odległości od osi obrotu lub
Jednakże wzór ten nie nadaje się do obliczania momentu bezwładności; ponieważ masa ciała stałego ma rozkład ciągły, sumę należy zastąpić całką. Dlatego, aby obliczyć moment bezwładności, ciało dzieli się na nieskończenie małe objętości dV o masie dm=dV. Następnie
gdzie R jest odległością elementu dV od osi obrotu.
Jeżeli znany jest moment bezwładności I C względem osi przechodzącej przez środek masy, to można łatwo obliczyć moment bezwładności względem dowolnej równoległej osi O przechodzącej w odległości d od środka masy lub
I O = I C + md 2,
Ten stosunek nazywa się Twierdzenie Steinera: moment bezwładności ciała względem dowolnej osi jest równy sumie momentu bezwładności względem osi równoległej do niego i przechodzącej przez środek masy oraz iloczynu masy ciała przez kwadrat odległości pomiędzy osiami.
3. Energia kinetyczna obrotu
Energia kinetyczna ciała sztywnego obracającego się wokół ustalonej osi
Różniczkując wzór ze względu na czas, otrzymujemy prawo zmiany energii kinetycznej ciała sztywnego obracającego się wokół ustalonej osi:
–
szybkość zmiany energii kinetycznej ruchu obrotowego jest równa mocy momentu siły.
dK obrót =M Z Z dt=M Z d K K 2 -K 1 =
te. zmiana energii kinetycznej obrotu jest równa pracy wykonanej przez moment obrotowy.
4. Płaski ruch
Nazywa się ruchem ciała sztywnego, w którym środek masy porusza się po ustalonej płaszczyźnie, a oś jego obrotu przechodząca przez środek masy pozostaje prostopadła do tej płaszczyzny płaski ruch. Ruch ten można zredukować do połączenia ruchu translacyjnego i obrotu wokół stała (stała) oś, ponieważ w układzie C oś obrotu faktycznie pozostaje nieruchoma. Dlatego ruch płaski opisuje uproszczony układ dwóch równań ruchu:
Energia kinetyczna ciała wykonującego ruch płaski będzie wynosić:
i w końcu
,
ponieważ w tym przypadku i " jest prędkością obrotową i-tego punktu wokół ustalonej osi.
Oscylacje
1. Oscylator harmoniczny
Oscylacje Ogólnie nazywa się ruchy, które powtarzają się w czasie.
Jeśli powtórzenia te następują w regularnych odstępach czasu, tj. x(t+T)=x(t), wówczas wywoływane są oscylacje okresowy. System, który sprawia
nazywane są wibracjami oscylator. Oscylacje, które wykonuje układ pozostawiony samemu sobie, nazywane są naturalnymi, a częstotliwość oscylacji w tym przypadku wynosi naturalna frekwencja.
Wibracje harmoniczne wibracje, które zgodnie z prawem występują, nazywane są grzechem lub cos. Na przykład,
x(t)=A cos(t+ 0),
gdzie x(t) to przemieszczenie cząstki z położenia równowagi, A to maksimum
przesunięcie lub amplituda, t+ 0 -- faza oscylacje, 0 -- faza początkowa (przy t=0), 
-- częstotliwość cykliczna, jest po prostu częstotliwością oscylacji.
Układ wykonujący oscylacje harmoniczne nazywa się oscylatorem harmonicznym. Ważne jest, aby amplituda i częstotliwość oscylacji harmonicznych były stałe i niezależne od siebie.
Warunki występowania oscylacji harmonicznych: na cząstkę (lub układ cząstek) musi działać siła lub moment siły proporcjonalny do przemieszczenia cząstki z położenia równowagi oraz
próbując przywrócić go do pozycji równowagi. Taka siła (lub moment siły)
zwany quasi-elastyczny; ma postać , gdzie k nazywa się quasi-sztywnością.
W szczególności może to być po prostu siła sprężysta, która wprawia w drgania wahadło sprężynowe oscylujące wzdłuż osi x. Równanie ruchu takiego wahadła ma postać:
Lub 
,
gdzie wprowadzono oznaczenie.
Przez bezpośrednie podstawienie łatwo to sprawdzić rozwiązując równanie
jest funkcją
x=A cos( 0 t+ 0),
gdzie A i 0 -- stałe, aby określić, które należy podać dwa warunki początkowe: położenie x(0)=x 0 cząstki i jej prędkość v x (0)=v 0 w początkowej (zerowej) chwili czasu.
To równanie jest równaniem dynamicznym dowolnego
drgania harmoniczne o częstotliwości własnej 0. Na wagę
okres drgań wahadła sprężystego
.
2. Wahadła fizyczne i matematyczne
Wahadło fizyczne- jest dowolnym ciałem fizycznym, które wykonuje
oscylacje wokół osi, która nie przechodzi przez środek masy w polu grawitacyjnym.
Aby naturalne oscylacje układu były harmoniczne, konieczne jest, aby amplituda tych oscylacji była mała. Swoją drogą to samo dotyczy sprężyny: F control = -kx tylko dla małych odkształceń sprężyny x.
Okres oscylacji określa się ze wzoru:
.
Należy zauważyć, że moment quasi-sprężysty jest tutaj momentem grawitacji
M i = - mgd , proporcjonalne do odchylenia kątowego .
Szczególnym przypadkiem wahadła fizycznego jest wahadło matematyczne-- masa punktowa zawieszona na nieważkiej, nierozciągliwej nici o długości l. Okres małe wahania wahadło matematyczne
3. Tłumione oscylacje harmoniczne
W rzeczywistej sytuacji siły rozpraszające (tarcie lepkie, opór środowiska) zawsze działają na oscylator z otoczenia.
które spowalniają ruch. Równanie ruchu przyjmuje wówczas postać:
.
Oznaczając i , otrzymujemy równanie dynamiczne naturalnych tłumionych oscylacji harmonicznych:
.
Podobnie jak w przypadku oscylacji nietłumionych, jest to ogólna postać równania.
Jeśli średni opór nie jest zbyt wysoki
Funkcjonować 
reprezentuje wykładniczo malejącą amplitudę oscylacji. To zmniejszenie amplitudy nazywa się relaks(osłabienie) drgań, a nazywa się współczynnik tłumienia wahanie.
Czas , podczas którego amplituda oscylacji maleje e=2,71828 razy,
zwany czas relaksu.
Oprócz współczynnika tłumienia wprowadzono inną charakterystykę,
zwany logarytmiczny spadek tłumienia-- to naturalne
logarytm stosunku amplitud (lub przemieszczeń) w okresie:
.
Częstotliwość drgań własnych tłumionych
zależy nie tylko od wielkości siły quasi-sprężystej i masy ciała, ale także od
opór środowiska.
4. Dodawanie drgań harmonicznych
Rozważmy dwa przypadki takiego dodania.
a) Oscylator uczestniczy w dwóch wzajemnie prostopadłe wahania.
W tym przypadku wzdłuż osi x i y działają dwie siły quasi-sprężyste. Następnie
Aby znaleźć trajektorię oscylatora, należy z tych równań wykluczyć czas t.
Najłatwiej to zrobić, jeśli wiele częstotliwości:
Gdzie n i m są liczbami całkowitymi.
W tym przypadku trajektoria oscylatora będzie pewna Zamknięte krzywa tzw postać Lissajous.
Przykład: częstotliwości oscylacji w x i y są takie same ( 1 = 2 = ), a różnica faz oscylacji 
(dla uproszczenia wstawimy 1 = 0).
.
Stąd znajdziemy: 
-- figura Lissajous będzie elipsą.
b) Oscylator oscyluje jeden kierunek.
Niech na razie będą dwie takie oscylacje; Następnie
gdzie i 
- fazy oscylacji.
Analityczne dodawanie wibracji jest bardzo niewygodne, zwłaszcza gdy takie są
nie dwa, ale kilka; dlatego zwykle używa się geometrii metoda diagramu wektorowego.
5. Wibracje wymuszone
Wymuszone wibracje powstają podczas oddziaływania na oscylator
zewnętrzna siła okresowa zmieniająca się zgodnie z prawem harmonicznym
z częstotliwością zew: 
.
Równanie dynamiczne drgań wymuszonych:
Dla oscylacje w stanie ustalonym rozwiązaniem równania jest funkcja harmoniczna:
gdzie A jest amplitudą wymuszonych oscylacji, a jest opóźnieniem fazowym
od siły przyciągającej.
Amplituda oscylacji wymuszonych w stanie ustalonym:
Opóźnienie fazowe wymuszonych oscylacji w stanie ustalonym z zewnątrz
siła napędowa:
.
\hs Zatem: występują wymuszone oscylacje w stanie ustalonym
o stałej, niezależnej od czasu amplitudzie, tj. nie znikaj
pomimo oporu otoczenia. Wyjaśnia to fakt, że praca
przychodzi siła zewnętrzna
wzrost energii mechanicznej oscylatora i całkowicie kompensuje
jego spadek, powstający na skutek działania rozpraszającej siły oporu
6. Rezonans
Jak widać ze wzoru, amplituda wymuszonych oscylacji
A ext zależy od częstotliwości zewnętrznej siły napędowej ext. Wykres tej zależności nazywa się krzywa rezonansowa lub odpowiedź amplitudowo-częstotliwościową oscylatora.
Nazywa się wartość częstotliwości siły zewnętrznej, przy której amplituda oscylacji staje się maksymalna częstotliwość rezonansowa rez i gwałtowny wzrost amplitudy przy in = res -- rezonans.
Warunkiem rezonansu będzie warunek ekstremum funkcji A( ext):
.
Częstotliwość rezonansową oscylatora określa się za pomocą wyrażenia:
.
W tym przypadku wartość rezonansowa amplitudy drgań wymuszonych
Nazywa się wielkość charakteryzującą odpowiedź rezonansową układu współczynnik jakości oscylator.
Wręcz przeciwnie, z wystarczająco dużym oporem 
nie będzie zaobserwowanego rezonansu.
Podstawy szczególnej teorii względności. molekularny
>> Warunki występowania drgań swobodnych
§ 19 WARUNKI POJAWANIA SIĘ WIBRACJI WOLNYCH
Zastanówmy się, jakie właściwości musi posiadać układ, aby występowały w nim swobodne oscylacje. Najwygodniej jest najpierw rozważyć drgania piłki nawleczonej na gładki poziomy pręt pod działaniem siły sprężystej sprężyny 1.
Jeśli przesuniesz piłkę nieznacznie z pozycji równowagi (ryc. 3.3, a) w prawo, wówczas długość sprężyny wzrośnie o (ryc. 3.3, b), a siła sprężystości sprężyny zacznie działać piłka. Siła ta, zgodnie z prawem Hooke'a, jest proporcjonalna do odkształcenia sprężyny i kierunku piany w lewo. Jeśli puścisz piłkę, to pod działaniem siły sprężystej zacznie ona poruszać się z przyspieszeniem w lewo, zwiększając swoją prędkość. W takim przypadku siła sprężystości zmniejszy się, ponieważ odkształcenie sprężyny maleje. W chwili, gdy kulka osiągnie położenie równowagi, siła sprężystości sprężyny staje się równa zeru. W rezultacie, zgodnie z drugim prawem Newtona, przyspieszenie piłki również wyniesie zero.
W tym momencie prędkość piłki osiągnie maksymalną wartość. Nie zatrzymując się w położeniu równowagi, będzie kontynuował ruch w lewo na skutek bezwładności. Sprężyna jest ściśnięta. W rezultacie pojawia się siła sprężysta skierowana w prawo i hamująca ruch piłki (ryc. 3.3, c). Siła ta, a co za tym idzie przyspieszenie skierowane w prawo, zwiększa się wprost proporcjonalnie do modułu przemieszczenia x kuli względem położenia równowagi.
1 Analiza drgań kuli zawieszonej na pionowej sprężynie jest nieco bardziej skomplikowana. W tym przypadku zmienna siła sprężystości sprężyny i stała siła ciężkości działają jednocześnie. Ale natura oscylacji w obu przypadkach jest całkowicie taka sama.
Prędkość będzie spadać, aż w skrajnie lewym położeniu piłki osiągnie zero. Następnie piłka zacznie przyspieszać w prawo. Wraz ze zmniejszaniem się modułu przemieszczenia x siły Kontrola F maleje od wartości bezwzględnej i w położeniu równowagi ponownie spada do zera. Ale w tym momencie piłka nabrała już prędkości i dlatego pod wpływem bezwładności nadal porusza się w prawo. Ruch ten prowadzi do rozciągnięcia sprężyny i pojawienia się siły skierowanej w lewo. Ruch piłki jest spowalniany, aż do całkowitego zatrzymania w skrajnie prawym położeniu, po czym cały proces powtarza się od nowa.
Gdyby nie było tarcia, ruch piłki nigdy by się nie ustał. Jednak tarcie i opór powietrza uniemożliwiają ruch piłki. Kierunek siły oporu zarówno podczas ruchu piłki w prawo, jak i w lewo jest zawsze przeciwny do kierunku prędkości. Zakres jego oscylacji będzie się stopniowo zmniejszał, aż do ustania ruchu. Przy niskim tarciu tłumienie staje się zauważalne dopiero po silnych oscylacjach piłki. Jeśli zaobserwujemy ruch piłki w niezbyt dużym odstępie czasu, wówczas można pominąć tłumienie drgań. W takim przypadku wpływ siły oporu na napięcie można pominąć.
Jeżeli siła oporu jest duża, to jej działania nie można zaniedbać nawet w krótkich odstępach czasu.
Kulkę na sprężynce umieść w szklance z lepkim płynem, np. gliceryną (ryc. 3.4). Jeżeli sztywność sprężyny jest mała, to kula wyjęta z położenia równowagi w ogóle nie będzie drgać. Pod działaniem siły sprężystej po prostu powróci do położenia równowagi (linia przerywana na rysunku 3.4). Ze względu na działanie siły oporu jego prędkość w położeniu równowagi będzie praktycznie zerowa.
Aby w układzie mogły wystąpić swobodne oscylacje, muszą być spełnione dwa warunki. Po pierwsze, podczas przemieszczania ciała z położenia równowagi w układzie musi powstać siła skierowana w stronę położenia równowagi, a zatem dążąca do przywrócenia ciała do położenia równowagi. Dokładnie tak działa sprężyna w rozważanym przez nas układzie (patrz rys. 3.3): kiedy kulka porusza się zarówno w lewo, jak i w prawo, siła sprężystości jest skierowana w stronę położenia równowagi. Po drugie, tarcie w układzie powinno być dość niskie. W przeciwnym razie wibracje szybko ucichną. Nietłumione oscylacje są możliwe tylko przy braku tarcia.
1. Jakie wibracje nazywa się darmowymi!
2. W jakich warunkach w układzie występują swobodne oscylacje?
3. Jakie oscylacje nazywane są wymuszonymi! Podaj przykłady drgań wymuszonych.
Jednym z najciekawszych tematów w fizyce są oscylacje. Nauka mechaniki jest z nimi ściśle związana, czyli tego, jak zachowują się ciała pod wpływem działania określonych sił. Zatem badając drgania, możemy obserwować wahadła, zobaczyć zależność amplitudy drgań od długości nici, na której zawieszone jest ciało, od sztywności sprężyny i ciężaru ładunku. Mimo pozornej prostoty, temat ten nie jest dla każdego tak łatwy, jak byśmy sobie tego życzyli. Dlatego postanowiliśmy zebrać najbardziej znane informacje na temat wibracji, ich rodzajów i właściwości i przygotować dla Państwa krótkie podsumowanie na ten temat. Być może będzie to dla Ciebie przydatne.
Definicja pojęcia
Zanim zaczniemy mówić o pojęciach takich jak drgania mechaniczne, elektromagnetyczne, swobodne, wymuszone, ich naturze, charakterystyce i rodzajach, warunkach występowania, konieczne jest zdefiniowanie tego pojęcia. Zatem w fizyce oscylacja jest stale powtarzającym się procesem zmiany stanu wokół jednego punktu w przestrzeni. Najprostszym przykładem jest wahadło. Za każdym razem, gdy oscyluje, odchyla się od pewnego punktu pionowego, najpierw w jednym kierunku, potem w drugim. Teoria oscylacji i fal bada to zjawisko.
Przyczyny i warunki występowania
Jak każde inne zjawisko, oscylacje występują tylko wtedy, gdy spełnione są określone warunki. Drgania wymuszone mechaniczne, podobnie jak drgania swobodne, powstają, gdy spełnione są następujące warunki:
1. Obecność siły wyprowadzającej ciało ze stanu stabilnej równowagi. Na przykład pchnięcie wahadła matematycznego, od którego rozpoczyna się ruch.
2. Obecność minimalnej siły tarcia w układzie. Jak wiadomo, tarcie spowalnia niektóre procesy fizyczne. Im większa siła tarcia, tym mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia wibracji.
3. Jedna z sił musi zależeć od współrzędnych. Oznacza to, że ciało zmienia swoje położenie w określonym układzie współrzędnych względem określonego punktu.
Rodzaje wibracji
Po zrozumieniu, czym jest oscylacja, przeanalizujmy ich klasyfikację. Istnieją dwie najbardziej znane klasyfikacje - ze względu na naturę fizyczną i naturę interakcji ze środowiskiem. Zatem według pierwszego kryterium rozróżnia się drgania mechaniczne i elektromagnetyczne, a według drugiego drgania swobodne i wymuszone. Występują również drgania własne i tłumione. Ale porozmawiamy tylko o pierwszych czterech typach. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z nich, poznajmy ich cechy, a także podaj bardzo krótki opis ich głównych cech.
Mechaniczny
Od wibracji mechanicznych rozpoczyna się nauka o wibracjach na szkolnym kursie fizyki. Studenci rozpoczynają z nimi znajomość w takiej gałęzi fizyki jak mechanika. Należy pamiętać, że te procesy fizyczne zachodzą w środowisku i możemy je obserwować gołym okiem. Przy takich oscylacjach ciało wielokrotnie wykonuje ten sam ruch, przechodząc przez określoną pozycję w przestrzeni. Przykładami takich oscylacji są same wahadła, wibracje kamertonu lub struny gitary, ruch liści i gałęzi na drzewie, huśtawka.
Elektromagnetyczny
Po dokładnym zrozumieniu pojęcia drgań mechanicznych rozpoczyna się badanie drgań elektromagnetycznych, które mają bardziej złożoną strukturę, ponieważ ten typ występuje w różnych obwodach elektrycznych. Podczas tego procesu obserwuje się oscylacje pola elektrycznego i magnetycznego. Pomimo tego, że oscylacje elektromagnetyczne mają nieco inny charakter występowania, prawa dla nich są takie same jak dla mechanicznych. W przypadku oscylacji elektromagnetycznych może zmieniać się nie tylko siła pola elektromagnetycznego, ale także takie cechy, jak ładunek i siła prądu. Należy również pamiętać, że istnieją swobodne i wymuszone oscylacje elektromagnetyczne.
Wibracje swobodne
Ten rodzaj oscylacji występuje pod wpływem sił wewnętrznych, gdy układ jest wyprowadzany ze stanu stabilnej równowagi lub spoczynku. Oscylacje swobodne są zawsze tłumione, co oznacza, że ich amplituda i częstotliwość maleją w czasie. Uderzającym przykładem tego typu wahań jest ruch ładunku zawieszonego na nitce i oscylującego z jednej strony na drugą; ładunek przymocowany do sprężyny, opadający pod wpływem grawitacji lub wznoszący się pod działaniem sprężyny. Nawiasem mówiąc, właśnie na tego rodzaju oscylacje zwraca się uwagę podczas studiowania fizyki. A większość problemów dotyczy wibracji swobodnych, a nie wymuszonych.
Wymuszony
Pomimo tego, że dzieci w wieku szkolnym nie badają tego rodzaju procesu tak szczegółowo, w przyrodzie najczęściej występują wymuszone oscylacje. Dość uderzającym przykładem tego zjawiska fizycznego może być ruch gałęzi na drzewach przy wietrznej pogodzie. Wahania takie zawsze powstają pod wpływem czynników i sił zewnętrznych i powstają w dowolnym momencie.
Charakterystyka oscylacji
Jak każdy inny proces, oscylacje mają swoją własną charakterystykę. Istnieje sześć głównych parametrów procesu oscylacyjnego: amplituda, okres, częstotliwość, faza, przemieszczenie i częstotliwość cykliczna. Oczywiście każdy z nich ma swoje własne oznaczenia, a także jednostki miary. Przyjrzyjmy się im nieco bardziej szczegółowo, skupiając się na krótkim opisie. Jednocześnie nie będziemy opisywać formuł używanych do obliczenia tej lub innej wartości, aby nie wprowadzać czytelnika w błąd.
Stronniczość
Pierwszym z nich jest przemieszczenie. Cecha ta pokazuje odchylenie ciała od punktu równowagi w danym momencie. Mierzy się go w metrach (m), ogólnie przyjętym oznaczeniem jest x.
Amplituda oscylacji
Wartość ta wskazuje na największe przemieszczenie ciała od punktu równowagi. W obecności nietłumionych oscylacji jest to wartość stała. Mierzy się go w metrach, ogólnie przyjęte oznaczenie to x m.
Okres oscylacji
Kolejna wielkość wskazująca czas potrzebny na wykonanie jednego pełnego oscylacji. Ogólnie przyjętym oznaczeniem jest T, mierzone w sekundach.
Częstotliwość
Ostatnią cechą, o której będziemy mówić, jest częstotliwość oscylacji. Wartość ta wskazuje liczbę oscylacji w określonym przedziale czasu. Jest mierzony w hercach (Hz) i oznaczany jako ν.
Rodzaje wahadeł
Przeanalizowaliśmy więc oscylacje wymuszone, rozmawialiśmy o oscylacjach swobodnych, co oznacza, że powinniśmy wspomnieć również o rodzajach wahadeł, które służą do tworzenia i badania swobodnych oscylacji (w warunkach szkolnych). Tutaj możemy wyróżnić dwa typy - matematyczny i harmoniczny (sprężynowy). Pierwszym z nich jest pewne ciało zawieszone na nierozciągliwej nici, której rozmiar jest równy l (główna znacząca ilość). Drugi to ciężarek przymocowany do sprężyny. Ważna jest tutaj znajomość masy ładunku (m) i sztywności sprężyny (k).
wnioski
Ustaliliśmy więc, że istnieją wibracje mechaniczne i elektromagnetyczne, podaliśmy im krótki opis, opisaliśmy przyczyny i warunki występowania tego rodzaju wibracji. Powiedzieliśmy kilka słów o głównych cechach tych zjawisk fizycznych. Odkryliśmy również, że istnieją wibracje wymuszone i swobodne. Ustaliliśmy, czym się od siebie różnią. Ponadto powiedzieliśmy kilka słów o wahadłach stosowanych w badaniu drgań mechanicznych. Mamy nadzieję, że te informacje były dla Ciebie przydatne.