U fizici postoje različite vrste oscilacija koje karakteriziraju određeni parametri. Razmotrite njihove glavne razlike, klasifikaciju prema različitim čimbenicima.
Osnovne definicije
Pod fluktuacijom podrazumijeva se proces u kojemu u pravilnim intervalima glavne karakteristike kretanja imaju iste vrijednosti.
Periodične oscilacije su one u kojima se vrijednosti osnovnih veličina ponavljaju u pravilnim intervalima (period oscilacije).
Različitosti oscilatornih procesa
Razmotrimo glavne vrste oscilacija koje postoje u fundamentalnoj fizici.
Slobodne vibracije su one koje se javljaju u sustavu koji nije podvrgnut vanjskim promjenjivim utjecajima nakon početnog udara.
Primjer slobodnog osciliranja je matematičko njihalo.
One vrste mehaničkih vibracija koje se javljaju u sustavu pod djelovanjem vanjske promjenjive sile.
Značajke klasifikacije
Po fizičkoj prirodi razlikuju se sljedeće vrste oscilatornih pokreta:
- mehanički;
- termalni;
- elektromagnetski;
- mješano.
Prema opciji interakcije s okolinom
Vrste fluktuacija u interakciji s okolinom podijeljene su u nekoliko skupina.
Prisilne oscilacije pojavljuju se u sustavu pod djelovanjem vanjskog periodičnog djelovanja. Kao primjere ove vrste oscilacija možemo uzeti u obzir kretanje ruku, lišće na drveću.
Za prisilne harmonijske oscilacije može se pojaviti rezonancija, u kojoj, s jednakim vrijednostima frekvencije vanjskog utjecaja i oscilatora, s naglim povećanjem amplitude.
Vlastite vibracije u sustavu pod utjecajem unutarnjih sila nakon što se izvuče iz ravnoteže. Najjednostavnija verzija slobodnih vibracija je kretanje tereta koji je okačen na niti ili pričvršćen na oprugu.
Samooscilacije su vrste u kojima sustav ima određenu količinu potencijalne energije koja se koristi za stvaranje oscilacija. Njihovo razlikovno obilježje je činjenica da amplituda karakteriziraju svojstva samog sustava, a ne početni uvjeti.
Za slučajne fluktuacije, vanjsko opterećenje ima slučajnu vrijednost.
Osnovni parametri oscilatornih kretanja
Svi načini vibracije imaju određene karakteristike koje treba posebno spomenuti.
Amplituda je maksimalno odstupanje od ravnotežnog položaja, odstupanje fluktuirajuće vrijednosti, mjeri se u metrima.
Razdoblje je vrijeme jednog punog zamaha, krozkoji ponavlja karakteristike sustava, izračunava se u sekundama.
Frekvencija je određena brojem oscilacija po jedinici vremena, obrnuto je proporcionalna razdoblju osciliranja.
Faza osciliranja karakterizira stanje sustava.
Obilježje harmonijskih oscilacija
Ovakvi tipovi oscilacija javljaju se prema zakonu kosinusa ili sinusa. Fourier je uspio ustanoviti da se svaka periodična oscilacija može predstaviti kao zbroj harmonijskih promjena proširenjem određene funkcije u Fourierov niz.
Kao primjer, razmotrite njihalo s određenim periodom i cikličkom frekvencijom.
Što karakterizira ove vrste fluktuacija? Fizika matematičko njihalo smatra idealiziranim sustavom, koji se sastoji od materijalne točke, koja je obješena na bestežinsku nerastegljivu nit, oscilira pod utjecajem gravitacije.
Ovakve vrste vibracija imaju određenu količinu energije, uobičajene su u prirodi i tehnologiji.
Produljenim oscilatornim gibanjem mijenja se koordinata njegova središta mase, a s izmjeničnom strujom mijenja se vrijednost struje i napona u krugu.
Po fizičkoj prirodi postoje različite vrste harmonijskih oscilacija: elektromagnetske, mehaničke, itd.
Drhtanje vozila koje se kreće po neravnom putu djeluje kao prisilna oscilacija.
Glavne razlike između prisilnog i besplatnogfluktuacije
Ove vrste elektromagnetskih oscilacija razlikuju se po fizičkim karakteristikama. Prisutnost srednjeg otpora i sila trenja dovode do prigušenja slobodnih oscilacija. U slučaju prisilnih oscilacija, gubici energije se kompenziraju njenom dodatnom opskrbom iz vanjskog izvora.
Period opružnog njihala povezuje masu tijela i krutost opruge. U slučaju matematičkog njihala, to ovisi o duljini niti.
S poznatim razdobljem možete izračunati prirodnu frekvenciju oscilatornog sustava.
U tehnologiji i prirodi postoje fluktuacije s različitim frekvencijskim vrijednostima. Na primjer, njihalo koje oscilira u katedrali sv. Izaka u Sankt Peterburgu ima frekvenciju od 0,05 Hz, dok je za atome nekoliko milijuna megaherca.
Nakon određenog vremenskog razdoblja uočava se prigušenje slobodnih oscilacija. Zato se u stvarnoj praksi koriste prisilne oscilacije. Oni su traženi u raznim strojevima za vibracije. Vibracijski čekić je stroj s udarnim vibracijama koji je dizajniran za zabijanje cijevi, pilota i drugih metalnih konstrukcija u tlo.
Elektromagnetske oscilacije
Karakterizacija načina osciliranja uključuje analizu glavnih fizičkih parametara: naboj, napon, jačina struje. Kao elementarni sustav, koji se koristi za promatranje elektromagnetskih oscilacija, je oscilatorni krug. Nastaje spajanjem zavojnice i kondenzatora u seriju.
Kada je krug zatvoren, slobodan elektromagnetskifluktuacije povezane s periodičnim promjenama električnog naboja na kondenzatoru i struje u zavojnici.
Besplatni su zbog činjenice da prilikom izvođenja nema vanjskih utjecaja, već se koristi samo energija pohranjena u samom krugu.
Ako smatramo da je otpor zavojnice jednak nuli, a period oscilacije uzmemo kao T, možemo uzeti u obzir jednu potpunu oscilaciju koju je napravio sustav.
U nedostatku vanjskog utjecaja, nakon određenog vremenskog razdoblja, uočava se prigušivanje elektromagnetske oscilacije. Razlog za ovu pojavu bit će postupno pražnjenje kondenzatora, kao i otpor koji zavojnica zapravo ima.
Zato se u stvarnom krugu javljaju prigušene oscilacije. Smanjenje naboja na kondenzatoru dovodi do smanjenja energetske vrijednosti u odnosu na njegovu izvornu vrijednost. Postupno će se oslobađati kao toplina na spojnim žicama i zavojnici, kondenzator će se potpuno isprazniti, a elektromagnetska oscilacija će biti dovršena.
Važnost fluktuacija u znanosti i tehnologiji
Svi pokreti koji imaju određeni stupanj ponavljanja su oscilacije. Na primjer, matematičko njihalo karakterizira sustavno odstupanje u oba smjera od izvornog okomitog položaja.
Za opružno njihalo, jedan puni zamah odgovara njegovom kretanju gore-dolje od početne pozicije.
U električnom krugu koji ima kapacitet i induktivnost, dolazi do ponavljanja naboja nakondenzatorske ploče. Što je uzrok oscilatornih kretanja? Njihalo funkcionira zbog činjenice da ga gravitacija uzrokuje da se vrati u prvobitni položaj. U slučaju modela opruge, sličnu funkciju obavlja elastična sila opruge. Prolazeći ravnotežni položaj, teret ima određenu brzinu, pa se po inerciji kreće mimo prosječnog stanja.
Električne oscilacije mogu se objasniti razlikom potencijala koja postoji između ploča nabijenog kondenzatora. Čak i kada je potpuno ispražnjen, struja ne nestaje, već se puni.
Moderna tehnologija koristi fluktuacije koje se značajno razlikuju po svojoj prirodi, stupnju ponavljanja, prirodi, a također i "mehanizmu" pojavljivanja.
Mehaničke vibracije čine žice glazbenih instrumenata, morski valovi, njihalo. Kemijske fluktuacije povezane s promjenom koncentracije reaktanata uzimaju se u obzir pri provođenju različitih interakcija.
Elektromagnetske oscilacije omogućuju stvaranje različitih tehničkih uređaja, kao što su telefoni, ultrazvučni medicinski uređaji.
Fluktuacije svjetline cefeida od posebnog su interesa u astrofizici, a znanstvenici iz različitih zemalja ih proučavaju.
Zaključak
Sve vrste oscilacija usko su povezane s ogromnim brojem tehničkih procesa i fizičkih pojava. Njihova praktična važnost je velika u zrakoplovogradnji, brodogradnji, izgradnji stambenih kompleksa, elektrotehnici, radioelektronici, medicini i fundamentalnoj znanosti. Primjer tipičnog oscilatornog procesa ufiziologija pogoduje kretanju srčanog mišića. Mehaničke vibracije nalaze se u organskoj i anorganskoj kemiji, meteorologiji i mnogim drugim prirodnim znanostima.
Prva istraživanja matematičkog njihala provedena su u sedamnaestom stoljeću, a do kraja devetnaestog stoljeća znanstvenici su uspjeli ustanoviti prirodu elektromagnetskih oscilacija. Ruski znanstvenik Aleksandar Popov, koji se smatra "ocem" radio komunikacija, svoje je eksperimente provodio upravo na temelju teorije elektromagnetskih oscilacija, rezultata istraživanja Thomsona, Huygensa i Rayleigha. Uspio je pronaći praktičnu primjenu za elektromagnetske oscilacije, da ih koristi za prijenos radio signala na velike udaljenosti.
Akademik P. N. Lebedev dugi je niz godina provodio eksperimente vezane uz proizvodnju visokofrekventnih elektromagnetskih oscilacija korištenjem izmjeničnih električnih polja. Zahvaljujući brojnim eksperimentima vezanim uz različite vrste vibracija, znanstvenici su uspjeli pronaći područja za njihovu optimalnu upotrebu u modernoj znanosti i tehnologiji.
