Värähtely- ja aaltoliike. värähtelevä liike. Vapaa värinä. Oskillaatiojärjestelmät (Eryutkin E.S.)

1. Värähtelevän liikkeen määritelmä

värähtelevä liike on liike, joka toistuu täsmälleen tai suunnilleen säännöllisin väliajoin. Fysiikan värähtelevän liikkeen oppi korostuu erityisesti. Tämä johtuu erilaisten värähtelevän liikkeen lakien ja sen tutkimusmenetelmien yhteisyydestä. Mekaanisia, akustisia, sähkömagneettisia värähtelyjä ja aaltoja tarkastellaan yhdestä näkökulmasta. värähtelevä liike yhteistä kaikille luonnonilmiöille. Rytmisesti toistuvia prosesseja, esimerkiksi sydämen lyöntiä, tapahtuu jatkuvasti missä tahansa elävässä organismissa.

Mekaaniset tärinätVärähtelyt ovat mitä tahansa fyysistä prosessia, jolle on tunnusomaista toistettavuus ajallisesti.

Meren karheus, kellon heilurin heilautus, laivan rungon värähtely, ihmissydämen lyönnit, äänet, radioaallot, valo, vaihtovirrat - kaikki nämä ovat tärinää.

Fluktuaatioprosessissa järjestelmän tilan määrittävien fyysisten suureiden arvot toistetaan tasaisin tai epätasaisin aikavälein. Fluktuaatioita kutsutaan kausijulkaisu, jos muuttuvien fyysisten suureiden arvot toistetaan säännöllisin väliajoin.

Pienin aikaväli T, jonka jälkeen muuttuvan fysikaalisen suuren arvo toistuu (suuruudessa ja suunnassa, jos tämä suure on vektori, suuruudessa ja etumerkissä, jos se on skalaari), kutsutaan ajanjaksoa vaihtelut.

Aikayksikköä kohti suoritettujen täydellisten värähtelyjen lukumäärää kutsutaan taajuus tämän suuren vaihtelut ja on merkitty ν:llä. Värähtelyn jakso ja taajuus liittyvät toisiinsa suhteella:

Kaikki värähtelyt johtuvat yhdestä tai toisesta vaikutuksesta värähtelyjärjestelmään. Värähdyksiä aiheuttavan vaikutuksen luonteesta riippuen erotetaan seuraavat jaksolliset värähtelytyypit: vapaat, pakotetut, itsevärähtelyt, parametriset.

Vapaa värinä- nämä ovat värähtelyjä, jotka tapahtuvat itselleen jätetyssä järjestelmässä sen jälkeen, kun se on poistettu vakaasta tasapainotilasta (esimerkiksi jousen kuorman värähtelyt).

Pakotettu tärinä- nämä ovat värähtelyjä, jotka johtuvat ulkoisista jaksollisista vaikutuksista (esim. sähkömagneettiset värähtelyt TV-antennissa).

Mekaaninenvaihtelut

Itsevärähtelyt- ulkoisen energialähteen tukemat vapaat värähtelyt, joiden sisällyttämisen oikeaan aikaan suorittaa värähtelyjärjestelmä itse (esimerkiksi kellon heilurin värähtelyt).

Parametriset värähtelyt- nämä ovat värähtelyjä, joiden aikana tapahtuu ajoittainen muutos missä tahansa järjestelmän parametrissa (esimerkiksi heilahdus: kyyristyminen ääriasennoissa ja suoristaminen keskiasennossa, keinussa oleva henkilö muuttaa heilahduksen hitausmomenttia ).

Luonteeltaan erilaiset värähtelyt osoittavat paljon yhteistä: ne noudattavat samoja lakeja, niitä kuvataan samoilla yhtälöillä ja niitä tutkitaan samoilla menetelmillä. Tämä mahdollistaa yhtenäisen värähtelyteorian luomisen.

Yksinkertaisin jaksollisista värähtelyistä

ovat harmonisia värähtelyjä.

Harmoniset värähtelyt ovat värähtelyjä, joiden aikana fysikaalisten suureiden arvot muuttuvat ajan kuluessa sinin tai kosinin lain mukaan. Suurin osa värähtelyprosesseista on kuvattu tällä lailla tai ne voidaan laskea yhteen harmonisten värähtelyjen summana.

Toinen harmonisten värähtelyjen "dynaaminen" määritelmä on myös mahdollinen prosessina, joka suoritetaan elastisen tai "kvaselastisen" vaikutuksen alaisena.

2. määräajoin Värähtelyjä kutsutaan värähtelyiksi, joissa prosessin tarkka toisto tapahtuu säännöllisin väliajoin.

Kausi jaksollinen oskillaatio on vähimmäisaika, jonka jälkeen järjestelmä palaa alkuperäiseen tilaan.

x - värähtelevä arvo (esim. virran voimakkuus piirissä, tila ja prosessin toisto alkaa. Yhdessä värähtelyjaksossa tapahtuvaa prosessia kutsutaan "yhdeksi täydelliseksi värähtelyksi".

Jaksottaista värähtelyä kutsutaan täydellisten värähtelyjen lukumääräksi aikayksikköä kohti (1 sekunti) - se ei välttämättä ole kokonaisluku.

T - oskillaatiojakso Period - yhden täydellisen värähtelyn aika.

Taajuuden v laskemiseksi sinun on jaettava 1 sekunti yhden värähtelyn ajalla T (sekunteina) ja saat värähtelyjen lukumäärän 1 sekunnissa tai pisteen koordinaatin) t - aika

harmoninen värähtely

Tämä on jaksollinen värähtely, jossa liikettä kuvaava koordinaatti, nopeus, kiihtyvyys muuttuvat sini- tai kosinilain mukaan.

Harmoninen aaltomuoto

Kaavio määrittää kappaleen siirtymän riippuvuuden ajan kuluessa. Asenna lyijykynä jousiheiluriin, heilurin taakse tasaisesti liikkuva paperiteippi. Tai pakotetaan matemaattinen heiluri jättämään jälki. Paperille ilmestyy kaavio.

Harmonisen värähtelyn kuvaaja on siniaalto (tai kosiniaalto). Värähtelyaikataulun mukaan voit määrittää kaikki värähtelevän liikkeen ominaisuudet.

Harmonisen aallon yhtälö

Harmoninen värähtelyyhtälö määrittää kehon koordinaatin riippuvuuden ajasta

Kosinigraafilla on maksimiarvo alkuhetkellä ja sinigraafilla on nolla arvo alkuhetkellä. Jos alamme tutkia värähtelyä tasapainoasennosta, värähtely toistaa siniaallon. Jos alamme ottaa huomioon värähtelyn suurimman poikkeaman paikasta, värähtely kuvaa kosinin. Tai tällainen värähtely voidaan kuvata sinikaavalla alkuvaiheella.

Nopeuden ja kiihtyvyyden muutos harmonisen värähtelyn aikana

Ei vain kehon koordinaatti muuttuu ajan myötä sinin tai kosinin lain mukaan. Mutta myös suuret, kuten voima, nopeus ja kiihtyvyys, muuttuvat samalla tavalla. Voima ja kiihtyvyys ovat maksimi, kun värähtelevä kappale on ääriasennoissa, joissa siirtymä on suurin, ja ovat yhtä suuria kuin nolla, kun kappale kulkee tasapainoasennon läpi. Nopeus päinvastoin ääriasennoissa on nolla, ja kun keho ohittaa tasapainoasennon, se saavuttaa maksimiarvonsa.

Jos värähtelyä kuvataan kosinin lain mukaan

Jos värähtely kuvataan sinilain mukaan

Suurin nopeus ja kiihtyvyys

Riippuvuusyhtälöiden v(t) ja a(t) analysoinnin jälkeen voidaan arvata, että nopeuden ja kiihtyvyyden maksimiarvot otetaan, kun trigonometrinen kerroin on 1 tai -1. Määritetään kaavalla

Kuinka saada riippuvuuksia v(t) ja a(t)

Värähtelyominaisuus

Vaihe määrittää järjestelmän tilan, nimittäin koordinaatin, nopeuden, kiihtyvyyden, energian jne.

Syklinen taajuus kuvaa värähtelyvaiheen muutosnopeutta.

Värähtelyjärjestelmän alkutila on tunnusomaista alkuvaihe

Värähtelyn amplitudi A on suurin siirtymä tasapainoasennosta

Kausi T- tämä on ajanjakso, jonka aikana piste suorittaa yhden täydellisen värähtelyn.

Värähtelytaajuus on täydellisten värähtelyjen lukumäärä aikayksikköä t kohti.

Taajuus, syklinen taajuus ja värähtelyjakso liittyvät toisiinsa

Värähtelytyypit

Suljetuissa järjestelmissä esiintyviä värähtelyjä kutsutaan vapaa tai oma vaihtelut. toiminnan aikana esiintyviä tärinöitä ulkoiset voimat, nimeltään pakko. Siellä on myös itsevärähtelyjä(automaattisesti pakotettu).

Jos tarkastellaan värähtelyjä muuttuvien ominaisuuksien (amplitudi, taajuus, jakso jne.) mukaan, ne voidaan jakaa harmoninen, häipyminen, kasvaa(sekä sahahammas, suorakaiteen muotoinen, monimutkainen).

Vapaiden värähtelyjen aikana todellisissa järjestelmissä tapahtuu aina energiahäviöitä. Mekaanista energiaa käytetään esimerkiksi ilmanvastusvoimien voittamiseksi. Kitkavoiman vaikutuksesta värähtelyamplitudi pienenee, ja hetken kuluttua värähtely lakkaa. On selvää, että mitä suurempi vastustusvoima liikettä vastaan, sitä nopeammin värähtelyt pysähtyvät.

Pakotettu tärinä. Resonanssi

Pakotetut värähtelyt ovat vaimentamattomia. Siksi on tarpeen täydentää energiahäviöitä jokaisella värähtelyjaksolla. Tätä varten on tarpeen vaikuttaa värähtelevään kappaleeseen ajoittain muuttuvalla voimalla. Pakotetut värähtelyt suoritetaan taajuudella, joka on yhtä suuri kuin ulkoisen voiman muutosten taajuus.

Pakotettu tärinä

Pakotettujen mekaanisten värähtelyjen amplitudi saavuttaa suurin arvo siinä tapauksessa, että käyttövoiman taajuus on sama kuin värähtelyjärjestelmän taajuus. Tätä ilmiötä kutsutaan resonanssi.

Esimerkiksi, jos vedät ajoittain johtoa ajoissa omilla värähtelyillään, huomaamme sen värähtelyjen amplitudin lisääntymisen.

Jos märkää sormea ​​liikutetaan lasin reunaa pitkin, lasista kuuluu soivia ääniä. Vaikka sormi ei ole havaittavissa, se liikkuu ajoittain ja siirtää energiaa lasiin lyhyin purskein, mikä saa lasin värisemään.

Myös lasin seinät alkavat väristä, kun se suunnataan siihen. ääniaalto taajuudella, joka on yhtä suuri kuin omansa. Jos amplitudi tulee erittäin suureksi, lasi saattaa jopa rikkoutua. F.I. Chaliapinin laulun aikana koetun resonanssin vuoksi kattokruunujen kristalliriipukset tärisivät (resonoivat). Resonanssin ilmaantuminen voidaan jäljittää kylpyhuoneessa. Jos laulat eritaajuisia ääniä pehmeästi, resonanssi tapahtuu jollain taajuudella.

Soittimissa resonaattorien roolia suorittavat heidän ruumiinsa osat. Ihmisellä on myös oma resonaattori - tämä on suuontelo, joka vahvistaa kuuluvia ääniä.

Resonanssiilmiö on otettava huomioon käytännössä. Joissakin tilanteissa siitä voi olla hyötyä, toisissa se voi olla haitallista. Resonanssiilmiöt voivat aiheuttaa peruuttamattomia vaurioita erilaisille mekaanisille järjestelmille, kuten väärin suunniteltuja siltoja. Joten vuonna 1905 Pietarin egyptiläinen silta romahti, kun ratsaslentue kulki sen läpi, ja vuonna 1940 Tacoma-silta Yhdysvalloissa romahti.

Resonanssiilmiötä käytetään, kun pienen voiman avulla on tarpeen saada suuri lisäys värähtelyjen amplitudissa. Esimerkiksi suuren kellon raskas kieli voidaan heilauttaa suhteellisen pienellä voimalla taajuudella, joka on yhtä suuri kuin kellon luonnollinen taajuus.

Tämän oppitunnin aihe: "Värähtelevä liike. Vapaa värinä. Värähtelyjärjestelmät. Ensin määritellään uusi liike, jota alamme tutkia - värähtelevä liike. Tarkastellaan esimerkkinä jousiheilurin värähtelyjä ja määritellään vapaan värähtelyn käsite. Tutkimme myös mitä värähtelyjärjestelmät ovat ja pohdimme värähtelyjen olemassaolon edellytyksiä.

Epäröinti - tämä on jaksollinen muutos missä tahansa fyysisessä suuressa: lämpötilan vaihtelut, liikennevalojen värivaihtelut jne. (Kuva 1).

Riisi. 1. Esimerkkejä tärinästä

Värähtely on yleisin liikemuoto luonnossa. Jos käsittelemme mekaaniseen liikkeeseen liittyviä kysymyksiä, tämä on yleisin mekaanisen liikkeen tyyppi. Yleensä he sanovat näin: liikettä, joka toistuu kokonaan tai osittain ajan myötä, kutsutaan epäröintiä. Mekaaniset tärinät - tämä on jaksollinen muutos mekaanista liikettä kuvaavissa fysikaalisissa suureissa: kehon asento, nopeus, kiihtyvyys.

Esimerkkejä värähtelystä: keinujen heiluminen, lehtien keinuminen ja puiden heiluminen tuulen vaikutuksesta, kellon heiluri, ihmiskehon liike.

Riisi. 2. Esimerkkejä tärinästä

Yleisimmät mekaaniset värähtelyjärjestelmät ovat:

• Jouseen kiinnitetty paino jousiheiluri. Heilurin kertominen alkunopeus, se poistetaan tasapainosta. Heiluri heiluu ylös ja alas. Jousiheilurin värähtelyjen aikaansaamiseksi jousien lukumäärä ja niiden jäykkyys ovat tärkeitä.

Riisi. 3. Jousiheiluri

• Matemaattinen heiluri - kiinteä ripustettu pitkälle langalle ja värähtelee maan vetovoimakentässä.

Riisi. 4. Matemaattinen heiluri

Edellytykset värähtelyjen olemassaololle

• Värähtelyjärjestelmän läsnäolo. Värähtelyjärjestelmä on järjestelmä, jossa värähtelyjä voi esiintyä.

Riisi. 5. Esimerkkejä värähtelyjärjestelmistä

• Vakaan tasapainon piste. Tässä pisteessä tapahtuu värähtelyjä.

Riisi. 6. Tasapainopiste

Tasapainoasentoja on kolmenlaisia: vakaa, epävakaa ja välinpitämätön. Vakaa: kun järjestelmä pyrkii palaamaan alkuperäiseen asentoonsa vähäisellä ulkoisella vaikutuksella. Juuri vakaan tasapainon olemassaolo on tärkeä ehto värähtelyjen esiintymiselle järjestelmässä.

• Energiavarastot, jotka aiheuttavat tärinää. Loppujen lopuksi värähtelyjä ei voi tapahtua sellaisenaan, meidän on saatettava järjestelmä pois tasapainosta, jotta nämä värähtelyt tapahtuvat. Eli antaa energiaa tälle järjestelmälle, jotta myöhemmin värähtelyenergia muuttuu liikkeeksi, jota harkitsemme.

Riisi. 7 Energiavarat

• Kitkavoimien pieni arvo. Jos nämä voimat ovat suuria, heilahteluista ei voi puhua.

Mekaniikan pääongelman ratkaisu tärinöiden tapauksessa

Mekaaniset värähtelyt ovat yksi mekaanisen liikkeen tyypeistä. Mekaniikan päätehtävä on kehon asennon määrittäminen kulloinkin. Saamme mekaanisten värähtelyjen riippuvuuden lain.

Yritämme arvata, mikä laki on löydettävä, emmekä päättele sitä matemaattisesti, koska yhdeksännen luokan tietotaso ei riitä tiukoille matemaattisille laskelmille. Fysiikassa tätä menetelmää käytetään usein. Ensin he yrittävät ennustaa oikeudenmukaisen päätöksen ja sitten todistavat sen.

Värähtelyt ovat jaksollinen tai lähes jaksollinen prosessi. Tämä tarkoittaa, että laki on jaksollinen funktio. Matematiikassa jaksolliset funktiot ovat tai .

Laki ei tule ratkaisemaan mekaniikan pääongelmaa, koska se on dimensioton suure, ja mittayksiköt ovat metrejä. Parannetaan kaavaa lisäämällä sinin eteen kertoja, joka vastaa maksimipoikkeamaa tasapainopaikasta - amplitudiarvo: . Huomaa, että aikayksiköt ovat sekunteja. Mieti, mitä se tarkoittaa esimerkiksi? Tässä ilmaisussa ei ole järkeä. Sinin alla oleva lauseke on mitattava asteina tai radiaaneina. Radiaaneissa tällainen fysikaalinen suure mitataan värähtelyn vaiheena - syklisen taajuuden ja ajan tulona.

Vapaat harmoniset värähtelyt kuvataan laissa:

Tämän yhtälön avulla voit löytää värähtelevän kappaleen sijainnin milloin tahansa.

Energiaa ja tasapainoa

Mekaanisia värähtelyjä tutkittaessa tulee kiinnittää erityistä huomiota tasapainoasennon käsitteeseen - tärinän esiintymisen välttämättömään ehtoon.

Tasapainoasentoja on kolmenlaisia: vakaa, epävakaa ja välinpitämätön.

Kuvassa 8 on pallo, joka on pallomaisessa kaukalossa. Jos pallo viedään tasapainosta, siihen vaikuttavat seuraavat voimat: painovoima, joka on suunnattu pystysuunnassa alaspäin, tukireaktiovoima, joka on suunnattu kohtisuoraan tangentin kanssa sädettä pitkin. Näiden kahden voiman vektorisumma on resultantti, joka suunnataan takaisin tasapainoasentoon. Eli pallo pyrkii palaamaan tasapainoasentoonsa. Tätä tasapainotilaa kutsutaan kestävää.

Riisi. 8. Vakaa tasapaino

Laitetaan pallo kuperalle pallomaiselle kourulle ja viedään se hieman pois tasapainoasennosta (kuva 9). Painovoima on edelleen suunnattu pystysuunnassa alaspäin, tuen reaktiovoima on edelleen kohtisuorassa tangenttia vastaan. Mutta nyt resultanttivoima suunnataan vastakkaiseen suuntaan kuin kehon alkuasema. Pallolla on taipumus rullata alas. Tätä tasapainotilaa kutsutaan epävakaa.

Riisi. 9. Epävakaa tasapaino

Kuvassa 10 pallo on vaakatasossa. Kahden voiman resultantti missä tahansa tason kohdassa on sama. Tätä tasapainotilaa kutsutaan välinpitämätön.

Riisi. 10. Välinpitämätön tasapaino

Vakaassa ja epävakaassa tasapainossa pallo pyrkii ottamaan asennon, jossa se on potentiaalinen energia on minimaalinen.

Mikä tahansa mekaaninen järjestelmä pyrkii spontaanisti ottamaan aseman, jossa sen potentiaalienergia on minimaalinen. Meillä on esimerkiksi mukavampaa valehdella kuin seisoa.

Joten on tarpeen täydentää vaihteluiden olemassaolon ehtoa sillä, että tasapainon on välttämättä oltava vakaa.

Jos tietylle heilurille, värähtelyjärjestelmälle annettiin energiaa, niin tällaisesta toiminnasta aiheutuvia värähtelyjä kutsutaan ns. vapaa. Yleisempi määritelmä: värähtelyjä kutsutaan vapaiksi, jotka tapahtuvat vain toiminnan aikana sisäisiä voimia järjestelmät.

Vapaita värähtelyjä kutsutaan myös tietyn värähtelyjärjestelmän, tietyn heilurin luonnollisiksi värähtelyiksi. Vapaat tärinät vaimentuvat. Ne ennemmin tai myöhemmin haalistuvat, kun kitkavoima vaikuttaa. Tässä tapauksessa, vaikka se on pieni arvo, se ei ole nolla. Jos mikään lisävoima ei pakota kehoa liikkumaan, värähtely pysähtyy.

Nopeuden ja kiihtyvyyden yhtälö ajan funktiona

Ymmärtääksemme muuttuvatko nopeus ja kiihtyvyys värähtelyjen aikana, siirrytään matemaattiseen heiluriin.

Heiluri poistuu tasapainosta ja se alkaa värähdellä. AT äärimmäisiä kohtia vaihteluista nopeus muuttaa suuntaansa ja tasapainopisteessä nopeus on suurin. Jos nopeus muuttuu, keholla on kiihtyvyys. Nopeutuuko tällainen liike tasaisesti? Ei tietenkään, koska nopeuden kasvaessa (vähentyessä) sen suunta myös muuttuu. Tämä tarkoittaa, että myös kiihtyvyys muuttuu. Tehtävämme on saada ne lait, joiden mukaan nopeuden projektio ja kiihtyvyyden projektio muuttuvat ajan myötä.

Koordinaatti muuttuu ajan myötä harmonisen lain mukaan, sinin tai kosinin lain mukaan. On loogista olettaa, että myös nopeus ja kiihtyvyys muuttuvat harmonisen lain mukaan.

Koordinaattimuutoslaki:

Laki, jonka mukaan nopeuden projektio muuttuu ajan myötä:

Tämä laki on myös harmoninen, mutta jos koordinaatti muuttuu ajan myötä sinilain mukaan, niin nopeusprojektio - kosinilain mukaan. Tasapainoasennossa koordinaatti on nolla, kun taas nopeus tasapainoasennossa on maksimi. Päinvastoin, missä koordinaatti on maksimi, nopeus on nolla.

Laki, jonka mukaan kiihtyvyyden projektio muuttuu ajan myötä:

Miinusmerkki ilmestyy, koska kun koordinaattia kasvatetaan, palautusvoima suuntautuu vastakkaiseen suuntaan. Newtonin toisen lain mukaan kiihtyvyys on suunnattu samaan suuntaan kuin tuloksena oleva voima. Joten jos koordinaatti kasvaa, kiihtyvyys kasvaa itseisarvossa, mutta päinvastaisessa suunnassa ja päinvastoin, mikä näkyy yhtälön miinusmerkillä.

Bibliografia

1. Kikoin A.K. Värähtelevän liikkeen laista // Kvant. - 1983. - Nro 9. - S. 30-31.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fysiikka: oppikirja. 9 solulle. keskim. koulu - M.: Enlightenment, 1992. - 191 s.
3. Chernoutsan A.I. Harmoniset värähtelyt - tavallisia ja hämmästyttäviä // Kvant. - 1991. - nro 9. - S. 36-38.
4. Sokolovitš Yu.A., Bogdanova G.S. Fysiikka: hakuteos, jossa on esimerkkejä ongelmanratkaisusta. - 2. painos, uudelleenjako. - X .: Vesta: kustantamo "Ranok", 2005. - 464 s.

1. Internet-portaali "youtube.com" ()
2. Internet-portaali "eduspb.com" ()
3. Internet-portaali "physics.ru" ()
4. Internet-portaali "its-physics.org" ()

Kotitehtävät

1. Mikä on vapaa värähtely? Anna esimerkkejä tällaisista vaihteluista.
2. Laske heilurin vapaan värähtelyn taajuus, jos sen kierteen pituus on 2 m. Selvitä kuinka kauan tällaisen heilurin 5 värähtelyä kestää.
3. Mikä on jousiheilurin vapaan värähtelyn jakso, jos jousen jäykkyys on 50 N/m ja kuorman massa on 100 g?

Olla olemassa eri tyyppejä värähtelyt fysiikassa, joille ovat ominaisia ​​tietyt parametrit. Harkitse niiden tärkeimpiä eroja, luokittelua eri tekijöiden mukaan.

Perusmääritelmät

Värähtely ymmärretään prosessina, jossa säännöllisin väliajoin liikkeen pääominaisuuksilla on samat arvot.

Tällaisia ​​värähtelyjä kutsutaan jaksollisiksi, joissa perussuureiden arvot toistetaan säännöllisin väliajoin (värähtelyjakso).

Erilaiset värähtelyprosessit

Tarkastellaanpa perusfysiikassa esiintyvien värähtelyjen päätyyppejä.

Vapaat tärinät ovat sellaisia, joita esiintyy järjestelmässä, joka ei ole alttiina ulkoisille muuttuville vaikutuksille alkuiskun jälkeen.

Esimerkki vapaista värähtelyistä on matemaattinen heiluri.

Sellaiset mekaaniset tärinätyypit, joita esiintyy järjestelmässä ulkoisen muuttuvan voiman vaikutuksesta.

Luokituksen ominaisuudet

Tekijä: fyysinen luonne erottaa seuraavat värähtelyliikkeet:

• mekaaninen;
• lämpö;
• sähkömagneettinen;
• sekoitettu.

Ympäristön kanssa vuorovaikutusvaihtoehdon mukaan

Värähtelytyypit vuorovaikutuksessa ympäristöön erottaa useita ryhmiä.

Pakotettuja värähtelyjä ilmenee järjestelmässä ulkoisen jaksollisen toiminnan vaikutuksesta. Esimerkkeinä tämän tyyppisestä värähtelystä voimme harkita käsien liikettä, lehtiä puissa.

Pakotetuissa harmonisissa värähtelyissä voi ilmetä resonanssi, jossa klo samat arvot ulkoisen toiminnan taajuus ja oskillaattori jyrkästi amplitudissa.

Luonnolliset värähtelyt järjestelmässä sisäisten voimien vaikutuksesta sen jälkeen, kun se on poistettu tasapainosta. Yksinkertaisin vapaan värähtelyn muunnos on kierteeseen ripustetun tai jouseen kiinnitetyn kuorman liike.

Itsevärähtelyjä kutsutaan tyypeiksi, joissa järjestelmällä on tietty marginaali Mahdollinen energia tulee tekemään värähtelyjä. tunnusmerkki Niiden syynä on se, että amplitudille ovat ominaisia ​​itse järjestelmän ominaisuudet, eivät alkuolosuhteet.

Satunnaisille värähtelyille ulkoisella kuormalla on satunnainen arvo.

Värähtelyliikkeiden perusparametrit

Kaikilla värähtelytyypeillä on tiettyjä ominaisuuksia, jotka on mainittava erikseen.

Amplitudi on suurin poikkeama tasapainoasennosta, vaihtelevan arvon poikkeama, se mitataan metreinä.

Jakso on yhden täydellisen värähtelyn aika, jonka jälkeen järjestelmän ominaisuudet toistuvat sekunneissa laskettuna.

Taajuus määräytyy värähtelyjen lukumäärän perusteella aikayksikköä kohti, se on kääntäen verrannollinen värähtelyjaksoon.

Värähtelyvaihe kuvaa järjestelmän tilaa.

Harmonisille värähtelyille ominaista

Tämäntyyppiset värähtelyt tapahtuvat kosinin tai sinin lain mukaan. Fourier onnistui osoittamaan, että mikä tahansa jaksollinen värähtely voidaan esittää harmonisten muutosten summana laajentamalla tiettyä funktiota

Esimerkkinä voidaan harkita heiluria, jolla on tietty jakso ja syklinen taajuus.

Mikä on ominaista tällaisille värähtelytyypeille? Fysiikka tarkastelee idealisoitua järjestelmää, joka koostuu aineellisesta pisteestä, joka on ripustettu painottomaan venymättömään langaan, ja se värähtelee painovoiman vaikutuksesta.

Tällaisilla värähtelytyypeillä on tietty määrä energiaa, ne ovat yleisiä luonnossa ja tekniikassa.

Pitkittyneessä värähtelevässä liikkeessä sen massakeskipisteen koordinaatit muuttuvat ja vaihtovirralla virran ja jännitteen arvo piirissä muuttuu.

Harmonisia värähtelyjä on erilaisia ​​niiden fysikaalisen luonteen mukaan: sähkömagneettisia, mekaanisia jne.

Ravistelu toimii pakotettuna värähtelynä ajoneuvoa, joka liikkuu epätasaisella tiellä.

Tärkeimmät erot pakotetun ja vapaan tärinän välillä

Tämän tyyppiset sähkömagneettiset värähtelyt eroavat toisistaan fyysiset ominaisuudet. Keskivastuksen ja kitkavoimien läsnäolo johtaa vapaiden värähtelyjen vaimentamiseen. Pakotetun värähtelyn tapauksessa energiahäviöt kompensoidaan sen lisäsyötöllä ulkoisesta lähteestä.

Jousiheilurin jakso vertaa rungon massaa ja jousen jäykkyyttä. Matemaattisen heilurin tapauksessa se riippuu langan pituudesta.

Tunnetulla jaksolla on mahdollista laskea värähtelyjärjestelmän luonnollinen taajuus.

Tekniikassa ja luonnossa on vaihtelua erilaisia ​​arvoja taajuuksia. Esimerkiksi heiluri, joka heiluu Pyhän Iisakin katedraali Pietarin taajuus on 0,05 Hz, kun taas atomeilla se on useita miljoonia megahertsejä.

Tietyn ajan kuluttua havaitaan vapaiden värähtelyjen vaimeneminen. Tästä syystä pakotettuja värähtelyjä käytetään todellisessa käytännössä. Niillä on kysyntää erilaisissa tärinäkoneissa. Täryvasara on isku-värähtelykone, joka on tarkoitettu putkien, paalujen ja muiden metallirakenteiden painamiseen maahan.

Sähkömagneettiset värähtelyt

Värähtelytilojen ominaisuudet sisältävät tärkeimpien fyysisten parametrien analysoinnin: varaus, jännite, virran voimakkuus. Alkeisjärjestelmänä, jota käytetään sähkömagneettisten värähtelyjen tarkkailuun, on värähtelypiiri. Se muodostetaan kytkemällä käämi ja kondensaattori sarjaan.

Kun piiri on suljettu, siinä tapahtuu vapaita sähkömagneettisia värähtelyjä, jotka liittyvät jaksollisiin muutoksiin sähkövaraus kondensaattorissa ja virta kelassa.

Ne ovat ilmaisia, koska niitä suoritettaessa ei ole ulkoista vaikutusta, vaan käytetään vain itse piiriin varastoitunutta energiaa.

Ulkoisen vaikutuksen puuttuessa havaitaan tietyn ajan kuluttua sähkömagneettisen värähtelyn vaimeneminen. Syynä tähän ilmiöön on kondensaattorin asteittainen purkautuminen sekä käämin todellisuudessa oleva vastus.

Tästä syystä todellisessa piirissä esiintyy vaimennettuja värähtelyjä. Kondensaattorin varauksen vähentäminen johtaa energia-arvon laskuun verrattuna sen alkuperäiseen arvoon. Vähitellen se vapautuu lämmön muodossa liitäntäjohtoihin ja käämiin, kondensaattori purkautuu kokonaan ja sähkömagneettinen värähtely valmistuu.

Tieteen ja tekniikan vaihteluiden merkitys

Kaikki liikkeet, joissa on tietty toistoaste, ovat värähtelyjä. Esimerkiksi matemaattiselle heilurille on tunnusomaista systemaattinen poikkeama molempiin suuntiin alkuperäisestä pystyasennosta.

Jousiheilurin kohdalla yksi täydellinen värähtely vastaa sen liikettä ylös ja alas alkuasennosta.

Sähköpiirissä, jossa on kapasitanssi ja induktanssi, kondensaattorin levyillä on toistoa. Mikä on värähtelevien liikkeiden syy? Heilurin toiminta johtuu siitä, että painovoima saa sen palaamaan alkuperäiseen asentoonsa. Jousimallin tapauksessa samanlaisen toiminnon suorittaa jousen elastinen voima. Tasapainoasennon ohittaessa kuormalla on tietty nopeus, joten se liikkuu hitaudella keskimääräisen tilan ohi.

Sähköiset värähtelyt voidaan selittää potentiaalierolla, joka on varatun kondensaattorin levyjen välillä. Vaikka se on täysin tyhjä, virta ei katoa, se latautuu uudelleen.

AT moderni teknologia käytetään vaihteluja, jotka eroavat merkittävästi luonteeltaan, toistoasteeltaan, luonteeltaan sekä esiintymismekanismiltaan.

Mekaaniset värähtelyt muodostavat kieliä Soittimet, meren aallot, heiluri. Reagenssien pitoisuuden muutokseen liittyvät kemialliset vaihtelut otetaan huomioon suoritettaessa erilaisia ​​vuorovaikutuksia.

Sähkömagneettisten värähtelyjen avulla voidaan luoda erilaisia ​​teknisiä laitteita, esimerkiksi puhelin, ultraääni lääkinnällisiä laitteita.

Kefeidien kirkkauden vaihtelut ovat erityisen kiinnostavia astrofysiikassa, ja tutkijat eri maista tutkivat niitä.

Johtopäätös

Kaiken tyyppiset vaihtelut liittyvät läheisesti valtavaan määrään teknisiä prosesseja ja fyysisiä ilmiöitä. Hienoja ne ovat käytännön arvoa lentokoneiden rakentamisessa, laivanrakennuksessa, rakentamisessa asuinkompleksit, sähkötekniikka, radioelektroniikka, lääketiede, perustieteet. Esimerkki tyypillisestä värähtelyprosessista fysiologiassa on sydänlihaksen liike. Mekaanisia värähtelyjä esiintyy orgaanisessa ja epäorgaanisessa kemiassa, meteorologiassa ja myös monissa muissa luonnontieteissä.

Ensimmäiset matemaattisen heilurin tutkimukset suoritettiin 1600-luvulla, ja 1800-luvun loppuun mennessä tiedemiehet pystyivät vahvistamaan sähkömagneettisten värähtelyjen luonteen. Venäläinen tiedemies Alexander Popov, jota pidetään radioviestinnän "isänä", suoritti kokeensa juuri sähkömagneettisten värähtelyjen teorian, Thomsonin, Huygensin ja Rayleighin tutkimustulosten perusteella. Hän onnistui löytämään käytännön käyttöä sähkömagneettisia aaltoja, käytä niitä radiosignaalin lähettämiseen pitkän matkan päähän.

Akateemikko P. N. Lebedev suoritti monien vuosien ajan kokeita, jotka liittyivät korkeataajuisten sähkömagneettisten värähtelyjen tuottamiseen vaihtelevilla sähkökentillä. Lukuisten kokeiden kautta, jotka liittyvät erilaisia ​​tyyppejä vaihteluiden vuoksi tutkijat onnistuivat löytämään alueita, joilla niiden optimaalinen käyttö on mahdollista moderni tiede ja tekniikka.