Det finnes forskjellige typer svingninger i fysikk, preget av visse parametere. Vurder hovedforskjellene deres, klassifisering i henhold til ulike faktorer.
Grunnleggende definisjoner
Under svingning menes en prosess der bevegelsens hovedkarakteristika med jevne mellomrom har samme verdier.
Periodiske oscillasjoner er de der verdiene til grunnmengdene gjentas med jevne mellomrom (svingningsperiode).
varianter av oscillerende prosesser
La oss vurdere hovedtypene av oscillasjoner som finnes i grunnleggende fysikk.
Fri vibrasjoner er de som oppstår i et system som ikke er utsatt for eksterne variable påvirkninger etter det første støtet.
Et eksempel på fri oscillasjon er en matematisk pendel.
De typene mekaniske vibrasjoner som oppstår i systemet under påvirkning av en ekstern variabel kraft.
Klassifiseringsfunksjoner
Av fysisk natur skilles følgende typer oscillerende bevegelser ut:
- mekanisk;
- termisk;
- elektromagnetisk;
- blandet.
I henhold til muligheten for interaksjon med miljøet
Typer av svingninger i samspill med omgivelsene er delt inn i flere grupper.
Tvangssvingninger vises i systemet under påvirkning av en ekstern periodisk handling. Som eksempler på denne typen svingninger kan vi vurdere bevegelsen av hender, blader på trær.
For tvangsharmoniske oscillasjoner kan det oppstå en resonans der, med like verdier av frekvensen til den ytre påvirkningen og oscillatoren, med en kraftig økning i amplitude.
Egne vibrasjoner i systemet under påvirkning av indre krefter etter at det er tatt ut av likevekt. Den enkleste varianten av frie vibrasjoner er bevegelsen av en last som er opphengt i en gjenge eller festet til en fjær.
Selvsvingninger er typer der systemet har en viss mengde potensiell energi som brukes til å lage svingninger. Deres kjennetegn er det faktum at amplituden er preget av egenskapene til selve systemet, og ikke av startbetingelsene.
For tilfeldige svingninger har den eksterne lasten en tilfeldig verdi.
Grunnleggende parametere for oscillerende bevegelser
Alle vibrasjonsmoduser har visse egenskaper som bør nevnes separat.
Amplituden er det maksimale avviket fra likevektsposisjonen, avviket til en fluktuerende verdi, det måles i meter.
Perioden er tiden for en full sving, gjennomsom gjentar systemkarakteristikker, beregnes i sekunder.
Frekvens bestemmes av antall oscillasjoner per tidsenhet, den er omvendt proporsjonal med oscillasjonsperioden.
Oscillasjonsfasen karakteriserer systemets tilstand.
Karakteristisk for harmoniske svingninger
Slike typer svingninger forekommer i henhold til loven om cosinus eller sinus. Fourier klarte å fastslå at enhver periodisk oscillasjon kan representeres som summen av harmoniske endringer ved å utvide en bestemt funksjon til en Fourier-serie.
Vurder som et eksempel en pendel med en viss periode og syklisk frekvens.
Hva kjennetegner denne typen svingninger? Fysikken anser den matematiske pendelen for å være et idealisert system, som består av en materiell spiss, som er hengt opp på en vektløs ubøyelig tråd, svinger under påvirkning av tyngdekraften.
Slike typer vibrasjoner har en viss mengde energi, de er vanlige i naturen og teknologien.
Med langvarig oscillerende bevegelse endres koordinaten til massesenteret, og med vekselstrøm endres verdien av strøm og spenning i kretsen.
Det finnes forskjellige typer harmoniske oscillasjoner av fysisk natur: elektromagnetiske, mekaniske osv.
Ristingen av et kjøretøy som beveger seg på en ulendt vei fungerer som en tvungen svingning.
Hovedforskjeller mellom tvunget og gratissvingninger
Disse typene elektromagnetiske oscillasjoner er forskjellige i fysiske egenskaper. Tilstedeværelsen av middels motstand og friksjonskrefter fører til demping av frie oscillasjoner. Ved tvangssvingninger kompenseres energitapene av tilleggsforsyningen fra en ekstern kilde.
Perioden til en fjærpendel relaterer kroppens masse og fjærens stivhet. Når det gjelder en matematisk pendel, avhenger det av lengden på tråden.
Med en kjent periode kan du beregne egenfrekvensen til det oscillerende systemet.
I teknologi og natur er det svingninger med ulike frekvensverdier. For eksempel har pendelen som svinger i St. Isak-katedralen i St. Petersburg en frekvens på 0,05 Hz, mens den for atomer er flere millioner megahertz.
Etter en viss tid observeres demping av frie svingninger. Det er derfor tvangssvingninger brukes i praksis. De er etterspurt i en rekke vibrasjonsmaskiner. Vibrasjonshammeren er en støtvibrasjonsmaskin som er designet for å slå rør, peler og andre metallkonstruksjoner ned i bakken.
Elektromagnetiske oscillasjoner
Karakterisering av oscillasjonsmoduser innebærer analyse av de viktigste fysiske parameterne: ladning, spenning, strømstyrke. Som et elementært system, som brukes til å observere elektromagnetiske oscillasjoner, er en oscillerende krets. Den dannes ved å koble en spole og en kondensator i serie.
Når kretsen er lukket, fri elektromagnetiskfluktuasjoner knyttet til periodiske endringer i den elektriske ladningen på kondensatoren og strømmen i spolen.
De er gratis på grunn av at når de utføres er det ingen ytre påvirkning, men kun energien som er lagret i selve kretsen brukes.
Hvis vi betrakter motstanden til spolen som null, og tar oscillasjonsperioden som T, kan vi vurdere en komplett oscillasjon laget av systemet.
I fravær av ytre påvirkning, etter en viss tidsperiode, observeres demping av den elektromagnetiske oscillasjonen. Årsaken til dette fenomenet vil være den gradvise utladingen av kondensatoren, samt motstanden som spolen faktisk har.
Det er grunnen til at dempede oscillasjoner oppstår i en ekte krets. Redusering av ladningen på kondensatoren fører til en reduksjon i energiverdien sammenlignet med dens opprinnelige verdi. Gradvis vil det frigjøres som varme på tilkoblingsledningene og spolen, kondensatoren vil bli fullstendig utladet, og den elektromagnetiske oscillasjonen vil bli fullført.
Betydningen av svingninger i vitenskap og teknologi
Alle bevegelser som har en viss grad av repetisjon er svingninger. For eksempel er en matematisk pendel karakterisert ved et systematisk avvik i begge retninger fra den opprinnelige vertikale posisjonen.
For en fjærpendel tilsvarer en hel sving dens bevegelse opp og ned fra utgangsposisjonen.
I en elektrisk krets som har kapasitans og induktans, er det en repetisjon av ladning påkondensatorplater. Hva er årsaken til oscillerende bevegelser? Pendelen fungerer på grunn av at tyngdekraften får den til å gå tilbake til sin opprinnelige posisjon. Når det gjelder en fjærmodell, utføres en lignende funksjon av fjærens elastiske kraft. Ved å passere likevektsposisjonen har lasten en viss hastighet, derfor beveger den seg ved treghet forbi gjennomsnittstilstanden.
Elektriske svingninger kan forklares med potensialforskjellen som eksisterer mellom platene til en ladet kondensator. Selv når den er helt utladet, forsvinner ikke strømmen, den lades opp igjen.
Moderne teknologi bruker fluktuasjoner som er vesentlig forskjellige i deres natur, grad av gjentakelse, natur og også "mekanismen" av utseende.
Mekaniske vibrasjoner er laget av strenger av musikkinstrumenter, havbølger, en pendel. Kjemiske fluktuasjoner assosiert med en endring i konsentrasjonen av reaktanter tas i betraktning når ulike interaksjoner utføres.
Elektromagnetiske oscillasjoner gjør det mulig å lage ulike tekniske enheter, for eksempel telefoner, medisinsk ultralydutstyr.
Lysstyrkesvingningene til cephider er av spesiell interesse i astrofysikk, og forskere fra forskjellige land studerer dem.
Konklusjon
Alle typer oscillasjoner er nært knyttet til et stort antall tekniske prosesser og fysiske fenomener. Deres praktiske betydning er stor innen flykonstruksjon, skipsbygging, bygging av boligkomplekser, elektroteknikk, radioelektronikk, medisin og grunnleggende vitenskap. Et eksempel på en typisk oscillerende prosess ifysiologi favoriserer bevegelsen av hjertemuskelen. Mekaniske vibrasjoner finnes i organisk og uorganisk kjemi, meteorologi og mange andre naturvitenskaper.
De første studiene av den matematiske pendelen ble utført på 1600-tallet, og mot slutten av 1800-tallet var forskere i stand til å fastslå naturen til elektromagnetiske svingninger. Den russiske forskeren Alexander Popov, som regnes som "faren" til radiokommunikasjon, utførte sine eksperimenter nettopp på grunnlag av teorien om elektromagnetiske oscillasjoner, resultatene av forskning av Thomson, Huygens og Rayleigh. Han klarte å finne en praktisk anvendelse for elektromagnetiske oscillasjoner, for å bruke dem til å sende et radiosignal over lang avstand.
Akademiker P. N. Lebedev gjennomførte i mange år eksperimenter relatert til produksjon av høyfrekvente elektromagnetiske oscillasjoner ved bruk av vekslende elektriske felt. Takket være en rekke eksperimenter knyttet til ulike typer vibrasjoner, har forskere klart å finne områder for optimal bruk i moderne vitenskap og teknologi.
