Гармонические колебания и график колебательного процесса

Чтобы ответить на вопрос, какие колебания называются гармоническими, следует иметь в виду, что данные физические явления – одни их самых распространенных в природе. Пожалуй, трудно указать сферу, где бы не присутствовали гармонические колебания. Наиболее распространенными областями физической теории, в которых исследуются колебательные процессы, выступают механика, электротехника и электроника, радиолокация и гидроакустика и другие.

Объединены все без исключения эти области тем, что природа колебательных процессов, как правило, одинакова, а потому и для их описания имеется общая классическая теория. Параметрические различия колебательных процессов обусловлены только средой их протекания и внешними факторами, которые могут влиять на колебательные движения. Самым простым примером колебательных движений, с которыми мы повседневно сталкиваемся в быту, являются например, колебания маятника часов, или же электрический ток.

Колебания по природе своего протекания бывают свободные и гармонические. Свободные колебания еще называют собственными, этим подчеркивается, что они в качестве своего источника имеют внешние возмущения среды, которые и выводят физическое тело из статического равновесия. Примером может служить грузик, который подвешен на нити, и которому мы толчком задаем некий колебательный процесс.

Более значительное место в физической теории уделяется исследованию такого явления, как гармонические колебания. Изучение их природы как раз и формирует ту теоретическую основу, на которой основывается исследование более узких аспектов колебательных процессов, а именно – их протекания в различных средах – механике, электричестве, в химических преобразованиях и реакциях.

Чтобы описать гармонические колебания в физике используются такие основные параметры, как период и частота.

Исходя из ранее сформулированного нами утверждения о том, что имеется некая общая универсальная модель протекания колебательных процессов, можно логически прийти и к заключению о существовании неких универсальных величин, характеризующих эти колебания. Следовательно, упоминавшиеся параметры - период и частота, свойственны всем видам колебаний, независимо от источника их порождения и среды их протекания.

Частота представляет собой количественную величину, показывающую, сколько раз в течение некоторого отрезка времени, физическое тело совершило процесс изменения своего статического состояния и вернулось в него. Так, например, можно посчитать, сколько раз, тот же грузик совершил колебаний после того, как мы его толкнули до момента его полной остановки.

Период в этом процессе, будет показывать временной отрезок, за который этот грузик отклонится от первоначального положения и вернется в исходное за одно колебание.

Исследуя гармонические колебания, следует понимать, что период и частота объективным образом связаны общей формулой, которая в конечном итоге определяет и график гармонических колебаний. Чтобы более предметно разобраться, что он собой представляет, следует отметить, что имеются и другие параметрические показатели - амплитуда, фаза, циклическая частота. Их использование позволяет применить для описания колебательных процессов тригонометрические функции. Самые распространенной формулой для построения графика является следующая: s = A sin (&omega-t + &alpha-). Эта формула, называемая еще уравнением гармонических колебаний, позволяет выстроить и график колебательного процесса, который в простейшем виде представляет собой обычную синусоиду. В приведенном примере формулы, коэффициенты &omega- и &alpha- показывают, какие именно преобразования необходимо выполнить с синусоидой, чтобы отобразить конкретный колебательный процесс.

При более сложных колебательных явлениях, естественно усложняется и их графическое описание. Это усложнение связано с воздействием двух основных факторов:

- природой процесса, то есть, тем, какие именно колебания исследуются – механические, электромагнитные, циклические или иные;

- средой, в рамках которой порождаются и осуществляются колебательные явления – воздух, вода или иное.

Эти факторы, существенно влияют на все параметры любого колебательного процесса.