Prirodne vibracije su procesi koje karakterizira određena ponovljivost. Na primjer, to uključuje pomicanje njihala sata, žice gitare, nožice vilice za podešavanje, aktivnost srca.
Mehaničke vibracije
Uzimajući u obzir fizičku prirodu, prirodne oscilacije mogu biti mehaničke, elektromagnetske, elektromehaničke. Pogledajmo pobliže prvi proces. Prirodne vibracije nastaju u slučajevima kada nema dodatnog trenja, nema vanjskih sila. Takva kretanja karakterizira frekventna ovisnost samo o karakteristikama danog sustava.
Harmonični procesi
Ove prirodne oscilacije podrazumijevaju promjenu oscilirajuće količine prema kosinusnom (sinusnom) zakonu. Analizirajmo najjednostavniji oblik oscilatornog sustava, koji se sastoji od kuglice obješene na oprugu.
U ovom slučaju, gravitacija uravnotežuje elastičnost opruge. Prema Hookeovom zakonu, postoji izravan odnos između njegovog proširenja opruge i sile primijenjene na tijelo.
Svojstva elastične sile
Vlastite elektromagnetske oscilacije u krugu povezane su s veličinom utjecaja na sustav. Sila elastičnosti, koja je proporcionalna pomaku lopte iz ravnotežnog položaja, usmjerena je prema ravnotežnom stanju. Kretanje lopte pod njezinim utjecajem može se opisati zakonom kosinusa.
Period prirodnih oscilacija bit će određen matematički.
U slučaju opružnog njihala, otkriva se ovisnost o njegovoj krutosti, kao i o masi tereta. Period prirodnih oscilacija u ovom slučaju može se izračunati po formuli.
Energija pri harmonijskoj oscilaciji
Vrijednost je konstantna ako nema sile trenja.
Kako dolazi do oscilatornog kretanja, dolazi do periodične transformacije kinetičke energije u potencijalnu vrijednost.
Prigušene oscilacije
Vlastite elektromagnetske oscilacije mogu se pojaviti kada na sustav ne utječu vanjske sile. Trenje doprinosi prigušenju oscilacija, uočava se smanjenje njihove amplitude.
Učestalost prirodnih oscilacija u oscilatornom krugu povezana je sa svojstvima sustava, kao i sa intenzitetom gubitaka.
S povećanjem koeficijenta prigušenja, uočava se povećanje perioda oscilatornog gibanja.
Omjer amplituda koje su odvojene intervalom jednakim jednoj periodi je konstantanvrijednost tijekom cijelog procesa. Taj se omjer naziva dekrementom prigušenja.
Prirodne vibracije u oscilatornom krugu opisane su zakonom sinusa (kosinusa).
Period osciliranja je imaginarna veličina. Kretanje je aperiodično. Sustav, koji je uklonjen iz ravnotežnog položaja bez dodatnih oscilacija, vraća se u prvobitno stanje. Metoda dovođenja sustava u stanje ravnoteže određena je njegovim početnim uvjetima.
Resonance
Period prirodnih oscilacija kruga određen je harmonijskim zakonom. Prisilne oscilacije pojavljuju se u sustavu pod djelovanjem periodično promjenjive sile. Prilikom sastavljanja jednadžbe gibanja uzeto je u obzir da osim efekta prisile, pri slobodnim vibracijama djeluju i takve sile: otpor medija, kvazielastična sila.
Rezonancija je naglo povećanje amplitude prisilnih oscilacija kada frekvencija pokretačke sile teži prirodnoj frekvenciji tijela. Sve vibracije koje se javljaju u ovom slučaju nazivaju se rezonantnim.
Da biste otkrili odnos između amplitude i vanjske sile za prisilne oscilacije, možete koristiti eksperimentalnu postavku. Kada se ručka poluge polako okreće, opterećenje opruge se pomiče gore-dolje slično točki njihovog ovjesa.
Mogu se izračunati vlastite elektromagnetske oscilacije u oscilatornom krugu i drugi fizički parametrisustav.
U slučaju brže rotacije oscilacije se povećavaju, a kada je frekvencija rotacije jednaka prirodnoj, postiže se maksimalna vrijednost amplitude. Uz naknadno povećanje frekvencije rotacije, amplituda prisilnih oscilacija analiziranog opterećenja ponovno se smanjuje.
Rezonantna karakteristika
Laganim pokretom ručke teret gotovo ne mijenja svoj položaj. Razlog je inercija opružnog njihala, koje ne prati vanjsku silu, pa se opaža samo "tretnja na mjestu".
Prirodna frekvencija oscilacija u krugu odgovarat će naglom porastu amplitude frekvencije vanjskog djelovanja.
Grafikon takve pojave naziva se rezonantna krivulja. Može se uzeti u obzir i za njihalo s nitima. Ako o šinu objesite masivnu kuglu, kao i niz svjetlosnih njihala s različitim duljinama niti.
Svako od ovih njihala ima svoju frekvenciju titranja, koja se može odrediti na temelju ubrzanja slobodnog pada, duljine niti.
Ako se lopta izvuče iz ravnoteže, ostavljajući svjetlosno njihalo bez kretanja, a zatim otpušteno, njegovi zamahi će dovesti do povremenog savijanja tračnice. To će uzrokovati učinak povremeno promjenjive elastične sile na svjetlosna njihala, uzrokujući da izvode prisilne oscilacije. Postupno će svi imati jednaku amplitudu, što će biti rezonancija.
Ovaj fenomen se može vidjeti i za metronom čija je baza spojenanavoj s osi njihala. U tom će se slučaju ljuljati maksimalnom amplitudom, tada frekvencija njihala "vuče" strunu odgovara frekvenciji njegovih slobodnih oscilacija.
Rezonancija nastaje kada vanjska sila, koja djeluje u vremenu sa slobodnim vibracijama, radi s pozitivnom vrijednošću. To dovodi do povećanja amplitude oscilatornog gibanja.
Pored pozitivnog utjecaja, fenomen rezonancije često ima i negativnu funkciju. Na primjer, ako se jezik zvona njiše, važno je da se zvuk proizvede da uže djeluje u skladu sa slobodnim oscilirajućim pokretima jezika.
Primjena rezonancije
Rad mjerača frekvencije reed temelji se na rezonanciji. Uređaj je predstavljen u obliku elastičnih ploča različitih duljina, pričvršćenih na jednu zajedničku podlogu.
U slučaju kontakta frekventnog mjerača s oscilatornim sustavom za koji je potrebno odrediti frekvenciju, ta ploča, čija je frekvencija jednaka izmjerenoj, osciliraće maksimalnom amplitudom. Nakon ulaska platine u rezonanciju, možete izračunati frekvenciju oscilirajućeg sustava.
U osamnaestom stoljeću, nedaleko od francuskog grada Angersa, jedan odred vojnika kretao se u korak duž lančanog mosta, čija je duljina bila 102 metra. Frekvencija njihovih koraka poprimila je vrijednost jednaku frekvenciji slobodnih vibracija mosta, što je izazvalo rezonanciju. To je uzrokovalo pucanje lanaca, urušavanje visećeg mosta.
Godine 1906., iz istog razloga, uništen je egipatski most u Sankt Peterburgu, po kojem se kretala eskadrila konjanika. Kako biste izbjegli takve neugodne pojave, sada sprelazeći most, vojne jedinice idu slobodnim tempom.
Elektromagnetski fenomeni
One su međusobno povezane fluktuacije magnetskih i električnih polja.
Vlastite elektromagnetske oscilacije u krugu nastaju kada se sustav izvuče iz ravnoteže, na primjer, kada se kondenzator prenese naboj, promjena veličine struje u krugu.
Elektromagnetske oscilacije pojavljuju se u različitim električnim krugovima. U ovom slučaju, oscilatorno kretanje se izvodi jačinom struje, naponom, nabojem, jakošću električnog polja, magnetskom indukcijom i drugim elektrodinamičkim veličinama.
Mogu se smatrati prigušenim oscilacijama, budući da energija predana sustavu ide u toplinu.
Kao što su prisilne elektromagnetske oscilacije procesi u krugu, koji su uzrokovani periodično promjenjivom vanjskom sinusoidnom elektromotornom silom.
Ovakvi procesi su opisani istim zakonima kao iu slučaju mehaničkih vibracija, ali imaju potpuno drugačiju fizičku prirodu. Električni fenomeni su poseban slučaj elektromagnetskih procesa sa snagom, naponom, izmjeničnom strujom.
Oscilatorni krug
To je električni krug koji se sastoji od induktora spojenog u seriju, kondenzatora s određenim kapacitetom, otpornika.
Kada je oscilatorni krug u stabilnom ravnotežnom stanju, kondenzator nema naboj i električna struja ne teče kroz zavojnicu.
Među glavnim značajkamaelektromagnetske oscilacije bilježe cikličku frekvenciju, koja je drugi izvod naboja s obzirom na vrijeme. Faza elektromagnetskih oscilacija je harmonijska veličina, opisana sinusnim (kosinusnim) zakonom.
Period u oscilatornom krugu određen je Thomsonovom formulom, ovisi o kapacitetu kondenzatora, kao i o vrijednosti induktiviteta zavojnice sa strujom. Struja u krugu mijenja se prema sinusnom zakonu, tako da možete odrediti fazni pomak za određeni elektromagnetski val.
Izmjenična struja
U okviru koji rotira konstantnom kutnom brzinom u jednoličnom magnetskom polju s određenom vrijednošću indukcije, određuje se harmonijski EMF. Prema Faradayevom zakonu za elektromagnetsku indukciju, oni su određeni promjenom magnetskog toka, sinusna je vrijednost.
Kada je vanjski izvor EMF spojen na oscilatorni krug, unutar njega se javljaju prisilne oscilacije s cikličkom frekvencijom ώ, jednakom po vrijednosti frekvenciji samog izvora. To su neprigušeni pokreti, budući da se prilikom naboja pojavljuje razlika potencijala, struja nastaje u krugu i druge fizičke veličine. To uzrokuje harmonijske promjene napona, struje, koje se nazivaju pulsirajuće fizičke veličine.
Vrijednost od 50 Hz uzima se kao industrijska frekvencija izmjenične struje. Za izračunavanje količine topline koja se oslobađa prilikom prolaska kroz vodič izmjenične struje ne koriste se maksimalne vrijednosti snage, jer se ona postižu samo u određenim vremenskim razdobljima. U takve svrhe prijavite seprosječna snaga, koja je omjer sve energije koja prolazi kroz krug tijekom analiziranog razdoblja, i njegove vrijednosti.
Vrijednost izmjenične struje odgovara konstanti, koja oslobađa istu količinu topline tijekom razdoblja kao i izmjenična struja.
Transformer
Ovo je uređaj koji povećava ili smanjuje napon bez značajnog gubitka električne energije. Ovaj dizajn se sastoji od nekoliko ploča na koje su pričvršćene dvije zavojnice s žičanim namotima. Primar je spojen na izvor izmjeničnog napona, a sekundar je priključen na uređaje koji troše električnu energiju. Za takav uređaj razlikuje se omjer transformacije. Za pojačani transformator manji je od jedan, a za pojačani transformator teži 1.
Auto oscilacije
Ovo se nazivaju sustavi koji automatski reguliraju opskrbu energijom iz vanjskog izvora. Procesi koji se u njima odvijaju smatraju se periodičnim neprigušenim (autooscilatornim) radnjama. Takvi sustavi uključuju cijevni generator elektromagnetskih interakcija, zvono, sat.
Postoje i slučajevi u kojima različita tijela istovremeno sudjeluju u oscilacijama u različitim smjerovima.
Ako zbrojite pokrete jednake amplitude, možete dobiti harmonijsku oscilaciju s većom amplitudom.
Prema Fourierovom teoremu, skup jednostavnih oscilatornih sustava, na koje se složeni proces može razložiti, smatra se harmonijskim spektrom. Prikazuje amplitude i frekvencije svih jednostavnih oscilacija uključenih utakav sustav. Najčešće se spektar odražava u grafičkom obliku.
Frekvencije su označene na horizontalnoj osi, a amplitude takvih oscilacija prikazane su duž ordinatne osi.
Svako oscilatorno kretanje: mehaničko, elektromagnetno, karakterizirano je određenim fizičkim veličinama.
Prije svega, ovi parametri uključuju amplitudu, period, frekvenciju. Za svaki parametar postoje matematički izrazi koji vam omogućuju da izvršite izračune, kvantitativno izračunate željene karakteristike.
