I hverdagen møter en person konstant manifestasjoner av oscillerende bevegelser. Dette er pendelens sving i klokken, vibrasjonene til bilfjærer og hele bilen. Selv et jordskjelv er ikke annet enn vibrasjoner av jordskorpen. Høyhus svaier også av kraftige vindkast. La oss prøve å finne ut hvordan fysikk forklarer dette fenomenet.
Pendel som et oscillerende system
Det mest åpenbare eksemplet på oscillerende bevegelse er veggklokkependelen. Pendelens passasje fra det høyeste punktet til venstre til det høyeste punktet til høyre kalles dens fulle sving. Perioden for en slik fullstendig oscillasjon kalles omkretsen. Oscillasjonsfrekvensen er antall svingninger per sekund.
For å studere svingninger brukes en enkel trådpendel som lages ved å henge en liten metallkule på en tråd. Hvis vi forestiller oss at ballen er et materiell punkt, og tråden har ingen masse ved absoluttfleksibilitet og manglende friksjon får du en teoretisk, såk alt matematisk pendel.
Svingeperioden til en slik "ideell" pendel kan beregnes ved å bruke formelen:
T=2π √ l / g, der l er lengden på pendelen, g er akselerasjonen for fritt fall.
Formelen viser at svingeperioden til pendelen ikke er avhengig av dens masse og ikke tar hensyn til avviksvinkelen fra likevektsposisjonen.
Transformasjon av energi
Hva er mekanismen for pendelbevegelser, som gjentas med en viss periode til og med til det uendelige, hvis det ikke var friksjons- og motstandskrefter, for å overvinne som et bestemt arbeid kreves?
Pendelen begynner å svinge på grunn av energien som tilføres den. I det øyeblikket pendelen tas bort fra vertikal posisjon, gir vi den en viss mengde potensiell energi. Når pendelen beveger seg fra topppunktet til utgangsposisjonen, omdannes potensiell energi til kinetisk energi. I dette tilfellet vil hastigheten på pendelen bli størst, siden kraften som gir akselerasjon avtar. På grunn av det faktum at hastigheten til pendelen er størst i utgangsposisjonen, stopper den ikke, men beveger seg ved treghet lenger langs sirkelbuen til nøyaktig samme høyde som den den gikk ned fra. Dette er hvordan energi omdannes under oscillerende bevegelse fra potensiell til kinetisk.
Høyden på pendelen er lik høyden på dens senking. Galileo kom til denne konklusjonen mens han utførte et eksperiment med en pendel, senere oppk alt etter ham.
Svingningen av en pendel er et udiskutabelt eksempel på loven om bevaring av energi. Og de kalles harmoniske vibrasjoner.
sinusbølge og fase
Hva er en harmonisk oscillerende bevegelse. For å se prinsippet for en slik bevegelse, kan du utføre følgende eksperiment. Vi henger en trakt med sand på tverrstangen. Under det legger vi et papirark, som kan forskyves vinkelrett på svingningene i trakten. Etter å ha satt trakten i bevegelse, flytter vi papiret.
Resultatet er en bølget linje skrevet i sand - en sinusformet. Disse svingningene, som forekommer i samsvar med sinusloven, kalles sinusformede eller harmoniske. Med slike fluktuasjoner vil enhver mengde som karakteriserer bevegelsen endres i henhold til loven om sinus eller cosinus.
Etter å ha undersøkt sinusoiden som er dannet på pappen, kan det bemerkes at sanden er et lag med sand i sine forskjellige seksjoner med forskjellige tykkelser: på toppen eller bunnen av sinusoiden var den tettest stablet. Dette antyder at på disse punktene var pendelens hastighet den minste, eller snarere null, på de punktene der pendelen snudde bevegelsen.
Begrepet fase spiller en stor rolle i studiet av svingninger. Oversatt til russisk betyr dette ordet "manifestasjon". I fysikk er en fase et spesifikt stadium av en periodisk prosess, det vil si stedet på sinusoiden der pendelen befinner seg.
Nøler på frifot
Hvis det oscillerende systemet gis bevegelse og deretter stoppespåvirkning av krefter og energier, vil svingningene til et slikt system bli k alt frie. Pendelens oscillasjoner, som er overlatt til seg selv, vil gradvis begynne å falme, amplituden vil avta. Pendelens bevegelse er ikke bare variabel (raskere nederst og langsommere på toppen), men heller ikke jevnt variabel.
I harmoniske svingninger blir kraften som gir pendelens akselerasjon svakere med en reduksjon i mengden av avvik fra likevektspunktet. Det er et proporsjon alt forhold mellom kraft og avbøyningsavstand. Derfor kalles slike vibrasjoner harmoniske, der avviksvinkelen fra likevektspunktet ikke overstiger ti grader.
Tvungen bevegelse og resonans
For praktisk bruk i ingeniørfag, tillates ikke vibrasjoner å avta, noe som gir en ekstern kraft til det oscillerende systemet. Hvis den oscillerende bevegelsen skjer under ytre påvirkning, kalles den tvunget. Tvangssvingninger oppstår med den frekvensen som en ytre påvirkning setter dem. Frekvensen til den virkende ytre kraften kan eller ikke falle sammen med frekvensen til pendelens naturlige oscillasjoner. Når det faller sammen, øker amplituden til oscillasjonene. Et eksempel på en slik økning er en sving som tar av høyere hvis du under bevegelse gir dem akselerasjon og treffer takten til deres egen bevegelse.
Dette fenomenet i fysikk kalles resonans og er av stor betydning for praktiske anvendelser. For eksempel, når du stiller inn en radiomottaker til ønsket bølge, bringes den i resonans med den tilsvarende radiostasjonen. Fenomenet resonans har også negative konsekvenser,fører til ødeleggelse av bygninger og broer.
Selvforsynt systemer
Foruten tvungne og frie vibrasjoner, er det også selvsvingninger. De oppstår med frekvensen til selve oscillerende systemet når de utsettes for en konstant i stedet for en variabel kraft. Et eksempel på selvsvingninger er en klokke, bevegelsen til pendelen som er tilveiebrakt og vedlikeholdt ved å vikle av fjæren eller senke lasten. Når du spiller fiolin, faller de naturlige vibrasjonene til strengene sammen med kraften som oppstår fra påvirkning av buen, og en lyd av en viss tonalitet vises.
Oscillerende systemer er mangfoldige, og studiet av prosessene som skjer i dem i praktiske eksperimenter er interessant og informativt. Den praktiske anvendelsen av oscillerende bevegelser i hverdagen, vitenskap og teknologi er variert og uunnværlig: fra svingesvinger til produksjon av rakettmotorer.
