Vrste oscilacija u fizici i njihova svojstva

Postoje različite vrste oscilacija u fizici, karakterizirane određenim parametrima. Pogledajmo njihove glavne razlike, razvrstavanje prema različitim čimbenicima.

Osnovne definicije

Oscilacijom se misli na proces u kojem, u pravilnim razmacima, osnovne karakteristike gibanja imaju iste vrijednosti.

Periodično nazivaju takve oscilacije, u kojima se vrijednosti osnovnih veličina ponavljaju kroz iste vremenske intervale (oscilacijski period).

Vrste oscilirajućih procesa

Razmotrimo glavne vrste oscilacija koje postoje u temeljnoj fizici.

Slobodne vibracije nazivaju se oscilacije koje se javljaju u sustavu koji nije podložan vanjskim varijabilnim utjecajima nakon početnog šoka.

Primjer slobodnih oscilacija je matematički pendulum.

One vrste mehaničkih oscilacija koje nastaju u sustavu pod djelovanjem vanjske varijabilne sile.

Značajke razvrstavanja

Sljedeće vrste oscilatorskih pokreta razlikuju se po fizičkoj prirodi:

• mehanički;
• toplinsko;
• elektromagnetski;
• mješoviti.

Prema varijanti interakcije s okolinom

Vrste vibracija u interakciji s okolinom razlikuju nekoliko skupina.

Prisilne oscilacije se pojavljuju u sustavu pod djelovanjem vanjske periodičke akcije. Kao primjeri ove vrste vibracija, može se razmotriti kretanje ruku, ostaviti na stablima.

Za prisilne harmonijske oscilacije može doći do rezonancije, pri čemu se za jednake vrijednosti učestalosti vanjskog djelovanja i oscilatora s oštrim povećanjem amplitude.

Vlastite oscilacije u sustavu pod utjecajem unutarnjih sila nakon uklanjanja iz ravnotežnog stanja. Najjednostavnija verzija slobodnih oscilacija je kretanje opterećenja koje je obješeno na niti ili pričvršćeno na oprugu.

Samo-oscilacija se odnosi na vrstu pod kojom sustav ima određenu rezervu potencijalne energije, koja ide za oscilacije. Njihova osobitost je činjenica da se amplituda odlikuje svojstvima samog sustava, a ne izvornim uvjetima.

Za slučajne oscilacije vanjsko opterećenje ima slučajnu vrijednost.

Osnovni parametri oscilirajućih pokreta

Sve vrste oscilacija imaju određene karakteristike, koje treba spomenuti odvojeno.

Amplituda je maksimalno odstupanje od ravnotežnog položaja, odstupanje oscilirajuće količine, mjereno u metrima.

Razdoblje je vrijeme jedne potpune oscilacije, kroz koju se ponavljaju karakteristike sustava, izračunava se u sekundama.

Frekvencija se određuje brojem oscilacija po jedinici vremena, obrnuto je proporcionalna razdoblju oscilacija.

Oscilacijska faza karakterizira stanje sustava.

Karakteristike harmonijskih oscilacija

Takve vrste oscilacija se javljaju prema zakonu kosinus ili sinus. Fourier je uspio ustanoviti da se svaka periodička oscilacija može prikazati kao zbroj harmonskih promjena širenjem određene funkcije u Serije Fourier.

Kao primjer, možemo uzeti u obzir jedan pendulum s određenim vremenom i cikličkom frekvencijom.

Koje su karakteristike takvih oscilacija? Fizika smatra matematički pendulum idealizirane sustav, koji se sastoji od materijala točke, koji je suspendiran u bestežinskom inextensible pređe mijenja pod utjecajem sile teže.

Ove vrste oscilacija imaju određenu količinu energije, one su uobičajene u prirodi i tehnologiji.

S kontinuiranim oscilirajućim gibanjem, mijenja se koordinatni centar mase, a na izmjeničnoj struji mijenja se vrijednost struje i napona u krugu.

Dodijeliti različite vrste harmoničkih oscilacija u fizičkoj prirodi: elektromagnetske, mehaničke, itd.

Kao prisilne fluktuacije, pojavljuje se drmanje vozila, koje se kreće duž neravne ceste.

Glavne razlike između prisilnih i slobodnih oscilacija

Ove vrste elektromagnetskih oscilacija razlikuju se u fizičkim svojstvima. Prisutnost otpornosti medija i sile trenja dovode do prigušenja slobodnih oscilacija. U slučaju prisilnih oscilacija, gubici energije nadoknađeni su svojim dodatnim unosom iz vanjskog izvora.

Razdoblje opruge pričvršćuje tjelesnu masu i krutost opruge. U slučaju matematičkog pendela ovisi o duljini niti.

Za poznato razdoblje može se izračunati prirodna frekvencija oscilatorskog sustava.

U tehnologiji i prirodi, postoje oscilacije s različitim frekvencijama. Na primjer, njihalo koje oscilira u Izaka katedrale u St. Petersburgu, ima frekvenciju od 0,05 Hz, a atomi od njega je nekoliko milijuna megaherca.

Nakon određenog vremenskog razdoblja primjećuje se prigušenje slobodnih oscilacija. Zato se primjenjuju prisilne oscilacije u stvarnoj praksi. Oni su traženi u različitim vibrirajućim strojevima. Vibro-čekić je vibrirajući stroj koji je namijenjen za izvođenje cijevi, pilota i drugih metalnih konstrukcija u zemlju.

Elektromagnetske oscilacije

Karakterizacija načina oscilacije uključuje analizu osnovnih fizikalnih parametara: naboj, napon, struja. Kao osnovni sustav, koji se koristi za promatranje elektromagnetskih oscilacija, je oscilatorni krug. Formira se serijskim spajanjem svitka i kondenzatora.

Kada je sklop zatvoren, u njemu nastaju slobodne elektromagnetske oscilacije, povezane s periodičnim promjenama električnog naboja na kondenzatoru i strujom u zavojnici.

Slobodni su zbog činjenice da kada su počinjeni nema vanjskog utjecaja, a koristi se samo energija koja se pohranjuje u samom krugu.

Ako pretpostavimo da je otpor svitka nula, a razdoblje oscilacije se uzima kao T, možemo uzeti u obzir jednu kompletnu oscilaciju koju je napravio sustav.

U odsutnosti vanjskog utjecaja, nakon određenog vremenskog perioda, primjećuje se prigušenje elektromagnetske oscilacije. Razlog tom fenomenu je postupni ispuštanje kondenzatora, kao i otpor koji zapravo ima zavojnica.

Zato se u stvarnim kružnim oscilacijama kruga javljaju. Smanjenje napona na kondenzatoru dovodi do smanjenja energetske vrijednosti u usporedbi s izvornom vrijednosti. Postupno će se odvojiti u obliku topline na spojnim žicama i zavojnicu, kondenzator će biti potpuno ispražnjen, a elektromagnetska oscilacija će završiti.

Važnost fluktuacija u znanosti i tehnologiji

Svaka kretanja koja imaju određeni stupanj ponavljanja su oscilacije. Na primjer, matematički pendulum karakterizira sustavno odstupanje na obje strane prvobitnog vertikalnog položaja.

Za opružno klatno, jedna kompletna oscilacija odgovara njenom gore-dolje od njegova početnog položaja.

U električnom krugu, koji ima kapacitet i induktivitet, na kondenzatorskim pločama dolazi do napajanja. Koji je uzrok vibracijskih pokreta? Zglob funkcionira jer gravitacija prisiljava da se vrati u prvobitni položaj. U slučaju tipa opruge, slična sila vrši elastična sila opruge. Prolazeći položaj ravnoteže, opterećenje ima određenu brzinu, stoga se, prema tromosti, kreće pored prosječnog stanja.

Električne oscilacije mogu se objasniti potencijalnom razlikom koja postoji između ploča napunjenog kondenzatora. Čak i uz punu pražnjenje, struja ne nestaje, a punjenje se napuni.

U suvremenoj tehnologiji koriste se oscilacije koje se bitno razlikuju po prirodi, stupnju ponavljanja, karakteru, kao i "mehanizam" izgleda.

Mehaničke vibracije čine niz glazbenih instrumenata, morskih valova, njihala. Kemijske fluktuacije povezane s promjenom koncentracije tvari koje reagiraju uzimaju se u obzir kod provođenja različitih interakcija.

Elektromagnetske oscilacije omogućuju stvaranje raznih tehničkih uređaja, na primjer, telefonskih, ultrazvučnih medicinskih uređaja.

Značajne fluktuacije u svjetlini cepheida posebno su zanimljive astrofizici, a znanstvenici iz različitih zemalja angažirani su u svojoj studiji.

zaključak

Sve vrste oscilacija usko su povezane s velikim brojem tehničkih procesa i fizičkih fenomena. Velika je njihova praktična važnost u izgradnji zrakoplova, brodogradnji, izgradnji stambenih kompleksa, elektrotehnike, elektronike, medicine i temeljne znanosti. Primjer tipičnog oscilacijskog procesa u fiziologiji je kretanje srčanog mišića. Mehaničke oscilacije nalaze se u organskoj i anorganskoj kemiji, meteorologiji, kao iu mnogim drugim prirodnim znanostima.

Prve studije su provedena jednostavnog njihala u sedamnaestom stoljeću, a do kraja devetnaestog stoljeća, znanstvenici su uspjeli utvrditi prirodu elektromagnetskih valova. Ruski znanstvenik Aleksandar Popov, koji se smatra „otac” radio, provode svoje eksperimente temelji se na teoriji elektromagnetskih valova, rezultati Thomson Research, Huygens, Rayleigh. Uspio je naći praktičnu primjenu elektromagnetskih oscilacija, koristiti ih za prijenos radio signal preko velike udaljenosti.

Akademik PN Lebedev godinama je proveo eksperimente vezane za dobivanje elektromagnetskih oscilacija visoke frekvencije pomoću različitih električnih polja. Zahvaljujući brojnim eksperimentima povezanim s različitim vrstama oscilacija, znanstvenici su uspjeli pronaći područja optimalne upotrebe u suvremenoj znanosti i tehnologiji.