U svakodnevnom životu osoba se stalno susreće s manifestacijama oscilatornog kretanja. Ovo je zamah njihala u satu, vibracije automobilskih opruga i cijelog automobila. Čak i potres nije ništa drugo nego vibracije zemljine kore. Od jakih naleta vjetra njišu se i visoke zgrade. Pokušajmo shvatiti kako fizika objašnjava ovaj fenomen.
Njihalo kao oscilatorni sustav
Najočitiji primjer oscilatornog gibanja je visak zidnog sata. Prolazak njihala od najviše točke na lijevoj strani do najviše točke na desnoj strani naziva se njegov puni zamah. Period jedne takve potpune oscilacije naziva se perimetar. Frekvencija titranja je broj oscilacija u sekundi.
Za proučavanje oscilacija koristi se jednostavno njihalo od niti, koje se izrađuje vješanjem male metalne kuglice na konac. Ako zamislimo da je lopta materijalna točka, a nit nema apsolutnu masufleksibilnost i nedostatak trenja, dobivate teorijsko, takozvano matematičko njihalo.
Period osciliranja takvog "idealnog" njihala može se izračunati pomoću formule:
T=2π √ l / g, gdje je l duljina njihala, g je ubrzanje slobodnog pada.
Formula pokazuje da period titranja njihala ne ovisi o njegovoj masi i ne uzima u obzir kut odstupanja od ravnotežnog položaja.
Transformacija energije
Kakav je mehanizam gibanja njihala, koja se ponavlja s određenim periodom čak do beskonačnosti, da ne postoje sile trenja i otpora, za prevladavanje kojih je potreban određeni rad?
Visak počinje oscilirati zbog energije koja mu se prenosi. U trenutku kada se njihalo odvoji od okomitog položaja, dajemo mu određenu količinu potencijalne energije. Kada se njihalo pomakne iz svoje gornje točke u početni položaj, potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju. U tom će slučaju brzina njihala postati najveća, budući da se sila koja daje ubrzanje smanjuje. Zbog činjenice da je u početnom položaju brzina njihala najveća, ono se ne zaustavlja, već se po inerciji kreće dalje po luku kružnice do točno iste visine kao i ona s koje se spustilo. Ovako se energija pretvara tijekom oscilatornog kretanja iz potencijalne u kinetičku.
Visina njihala jednaka je visini njegovog spuštanja. Galileo je do ovog zaključka došao dok je provodio eksperiment s njihalom, kasnije nazvanim po njemu.
Zamah njihala je neosporan primjer zakona održanja energije. I zovu se harmonijske vibracije.
Sinusni val i faza
Što je harmonijsko oscilatorno gibanje. Da biste vidjeli princip takvog kretanja, možete provesti sljedeći eksperiment. Na prečku objesimo lijevak s pijeskom. Ispod njega stavljamo list papira, koji se može pomaknuti okomito na fluktuacije lijevka. Pokrenuvši lijevak, pomičemo papir.
Rezultat je valovita linija ispisana pijeskom - sinusoida. Ove oscilacije, koje se javljaju u skladu sa zakonom sinusa, nazivaju se sinusoidnim ili harmonijskim. S takvim fluktuacijama, svaka veličina koja karakterizira kretanje promijenit će se prema zakonu sinusa ili kosinusa.
Promatrajući sinusoidu formiranu na kartonu, može se primijetiti da je pijesak sloj pijeska u svojim različitim dijelovima različite debljine: na vrhu ili koritu sinusoide, bio je najgušće nagomilan. To sugerira da je u tim točkama brzina njihala bila najmanja, odnosno nula, u onim točkama gdje je njihalo obrnulo svoje gibanje.
Koncept faze igra veliku ulogu u proučavanju oscilacija. Prevedeno na ruski, ova riječ znači "manifestacija". U fizici, faza je specifična faza periodičnog procesa, odnosno mjesto na sinusoidi gdje se njihalo trenutno nalazi.
Oklevanja na slobodi
Ako se oscilatorni sustav pomakne i zatim se zaustaviutjecaj bilo kojih sila i energija, tada će se oscilacije takvog sustava zvati slobodnim. Oscilacije njihala, koje je prepušteno samo sebi, postupno će početi blijedjeti, amplituda će se smanjivati. Kretanje njihala nije samo promjenjivo (brže na dnu, a sporije na vrhu), nego također nije jednoliko promjenjivo.
U harmonijskim oscilacijama, sila koja daje akceleraciju njihala postaje slabija sa smanjenjem količine odstupanja od ravnotežne točke. Postoji proporcionalan odnos između sile i udaljenosti otklona. Stoga se takve vibracije nazivaju harmonijskim, u kojima kut odstupanja od ravnotežne točke ne prelazi deset stupnjeva.
Prisilno kretanje i rezonancija
Za praktičnu primjenu u inženjerstvu, vibracijama nije dopušteno raspadanje, dajući vanjsku silu na oscilirajući sustav. Ako se oscilatorno kretanje događa pod vanjskim utjecajem, naziva se prisilno. Prisilne oscilacije javljaju se s frekvencijom koju im postavlja vanjski utjecaj. Frekvencija djelujuće vanjske sile može se, ali i ne mora podudarati s frekvencijom prirodnih oscilacija njihala. Kada se poklapaju, amplituda oscilacija raste. Primjer takvog povećanja je zamah koji uzlijeće više ako im tijekom kretanja date ubrzanje, pogađajući ritam vlastitog pokreta.
Ovaj fenomen u fizici naziva se rezonancija i od velike je važnosti za praktične primjene. Na primjer, pri ugađanju radio prijemnika na željeni val, on se dovodi u rezonanciju s odgovarajućom radio stanicom. Fenomen rezonancije također ima negativne posljedice,što dovodi do uništenja zgrada i mostova.
Samodostatni sustavi
Osim prisilnih i slobodnih vibracija, postoje i samooscilacije. Pojavljuju se s frekvencijom samog oscilirajućeg sustava kada su izloženi konstantnoj, a ne promjenjivoj sili. Primjer vlastitih oscilacija je sat, gibanje njihala u kojem se osigurava i održava odmotavanjem opruge ili spuštanjem tereta. Prilikom sviranja violine, prirodne vibracije žica poklapaju se sa silom koja proizlazi iz utjecaja gudala i pojavljuje se zvuk određenog tonaliteta.
Oscilatorni sustavi su raznoliki, a proučavanje procesa koji se u njima odvijaju u praktičnim eksperimentima zanimljivo je i informativno. Praktična primjena oscilatornog gibanja u svakodnevnom životu, znanosti i tehnologiji je raznolika i neophodna: od ljuljačke do proizvodnje raketnih motora.
