I hverdagen møder en person konstant manifestationer af oscillerende bevægelser. Dette er pendulets sving i uret, vibrationerne fra bilfjedre og hele bilen. Selv et jordskælv er intet andet end vibrationer af jordskorpen. Højhuse svajer også af kraftige vindstød. Lad os prøve at finde ud af, hvordan fysikken forklarer dette fænomen.
Pendulum som et oscillerende system
Det mest oplagte eksempel på oscillerende bevægelse er vægurets pendul. Pendulets passage fra det højeste punkt til venstre til det højeste punkt til højre kaldes dets fulde udsving. Perioden for en sådan fuldstændig oscillation kaldes perimeteren. Oscillationsfrekvensen er antallet af svingninger pr. sekund.
For at studere svingninger bruges et simpelt gevindpendul, som er lavet ved at hænge en lille metalkugle på en tråd. Hvis vi forestiller os, at kuglen er et materielt punkt, og tråden ikke har nogen masse ved absolutfleksibilitet og manglende friktion, får du et teoretisk, såkaldt matematisk pendul.
Svingningsperioden for et sådant "ideelt" pendul kan beregnes ved hjælp af formlen:
T=2π √ l/g, hvor l er længden af pendulet, g er accelerationen af frit fald.
Formlen viser, at pendulets svingningsperiode ikke afhænger af dets masse og ikke tager højde for afvigelsesvinklen fra ligevægtspositionen.
Transformation af energi
Hvad er mekanismen for pendulbevægelser, der gentages med en vis periode, selv til det uendelige, hvis der ikke var nogen friktions- og modstandskræfter, for at overvinde, som et bestemt arbejde er påkrævet?
Pendulet begynder at svinge på grund af den energi, der tilføres det. I det øjeblik pendulet tages væk fra den lodrette position, giver vi det en vis mængde potentiel energi. Når pendulet bevæger sig fra sit toppunkt til sin udgangsposition, omdannes potentiel energi til kinetisk energi. I dette tilfælde vil pendulets hastighed blive størst, da kraften, der bibringer accelerationen, aftager. På grund af det faktum, at pendulets hastighed i udgangspositionen er størst, stopper den ikke, men bevæger sig ved inerti længere langs cirkelbuen til nøjagtig samme højde som den, hvorfra den faldt. Det er sådan energi omdannes under oscillerende bevægelse fra potentiel til kinetisk.
Højden af pendulet er lig med højden af dets sænkning. Galileo kom til denne konklusion, mens han udførte et eksperiment med et pendul, senere opkaldt efter ham.
Svingningen af et pendul er et indiskutabelt eksempel på loven om energibevarelse. Og de kaldes harmoniske vibrationer.
sinusbølge og fase
Hvad er en harmonisk oscillerende bevægelse. For at se princippet om en sådan bevægelse kan du udføre følgende eksperiment. Vi hænger en tragt med sand på overliggeren. Under det lægger vi et ark papir, som kan flyttes vinkelret på tragtens udsving. Efter at have sat tragten i gang, flytter vi papiret.
Resultatet er en bølget linje skrevet i sand - en sinusformet. Disse svingninger, der forekommer i overensstemmelse med sinusloven, kaldes sinusformede eller harmoniske. Med sådanne udsving vil enhver størrelse, der karakteriserer bevægelsen, ændre sig i henhold til loven om sinus eller cosinus.
Efter at have undersøgt sinusoiden dannet på pappet, kan det bemærkes, at sandet er et lag sand i dets forskellige sektioner af forskellig tykkelse: i toppen eller truget af sinusoiden var det tættest stablet. Dette tyder på, at på disse punkter var pendulets hastighed den mindste, eller rettere nul, på de punkter, hvor pendulet vendte sin bevægelse.
Begrebet fase spiller en enorm rolle i studiet af svingninger. Oversat til russisk betyder dette ord "manifestation". I fysik er en fase et specifikt trin i en periodisk proces, det vil sige det sted på sinusoiden, hvor pendulet i øjeblikket er placeret.
Tøver på livet løs
Hvis det oscillerende system får bevægelse og derefter stoppetpåvirkningen af eventuelle kræfter og energier, så vil oscillationerne i et sådant system blive kaldt frie. Pendulets svingninger, som er overladt til sig selv, vil gradvist begynde at falme, amplituden vil falde. Pendulets bevægelse er ikke kun variabel (hurtigere i bunden og langsommere i toppen), men heller ikke ensartet variabel.
I harmoniske svingninger bliver kraften, der giver pendulets acceleration, svagere med et fald i mængden af afvigelse fra ligevægtspunktet. Der er et proportion alt forhold mellem kraft og afbøjningsafstand. Derfor kaldes sådanne vibrationer harmoniske, hvor afvigelsesvinklen fra ligevægtspunktet ikke overstiger ti grader.
Tvungen bevægelse og resonans
Til praktisk anvendelse inden for ingeniørarbejde, tillades vibrationer ikke at henfalde, hvilket giver en ekstern kraft til det oscillerende system. Hvis den oscillerende bevægelse sker under ydre påvirkning, kaldes den forceret. Forcerede svingninger opstår med den frekvens, som en ekstern påvirkning sætter dem. Hyppigheden af den virkende ydre kraft kan eller kan ikke falde sammen med frekvensen af pendulets naturlige svingninger. Når det falder sammen, øges amplituden af svingningerne. Et eksempel på en sådan stigning er et sving, der tager højere af, hvis du under bevægelse giver dem acceleration og rammer takten af deres egen bevægelse.
Dette fænomen i fysik kaldes resonans og er af stor betydning for praktiske anvendelser. Når man f.eks. indstiller en radiomodtager til den ønskede bølge, bringes den i resonans med den tilsvarende radiostation. Fænomenet resonans har også negative konsekvenser,fører til ødelæggelse af bygninger og broer.
Selvforsynende systemer
Udover tvungne og frie vibrationer er der også selvsvingninger. De opstår med frekvensen af selve det oscillerende system, når de udsættes for en konstant snarere end en variabel kraft. Et eksempel på selvsvingninger er et ur, hvori pendulets bevægelse er tilvejebragt og vedligeholdt ved at afvikle fjederen eller sænke belastningen. Når man spiller på violin, falder strengenes naturlige vibrationer sammen med den kraft, der opstår fra buens påvirkning, og der fremkommer en lyd af en vis tonalitet.
Oscillerende systemer er forskellige, og undersøgelsen af de processer, der forekommer i dem i praktiske eksperimenter, er interessant og informativ. Den praktiske anvendelse af oscillerende bevægelser i hverdagen, videnskab og teknologi er forskellig og uundværlig: fra svinggynger til produktion af raketmotorer.
