Der er forskellige typer af svingninger i fysik, karakteriseret ved visse parametre. Overvej deres vigtigste forskelle, klassificering efter forskellige faktorer.
Grundlæggende definitioner
Under udsving menes en proces, hvor bevægelsens hovedkarakteristika med jævne mellemrum har samme værdier.
Periodiske svingninger er dem, hvor værdierne af grundmængderne gentages med regelmæssige intervaller (oscillationsperiode).
Sorts af oscillerende processer
Lad os overveje hovedtyperne af svingninger, der findes i fundamental fysik.
Fri vibrationer er dem, der opstår i et system, der ikke er udsat for eksterne variable påvirkninger efter det indledende stød.
Et eksempel på fri oscillation er et matematisk pendul.
De typer mekaniske vibrationer, der opstår i systemet under påvirkning af en ekstern variabel kraft.
Klassificeringsfunktioner
Af fysisk natur skelnes følgende typer af oscillerende bevægelser:
- mekanisk;
- termisk;
- elektromagnetisk;
- blandet.
Ifølge muligheden for interaktion med miljøet
Typer af udsving i samspil med omgivelserne er opdelt i flere grupper.
Tvangssvingninger vises i systemet under påvirkning af en ekstern periodisk handling. Som eksempler på denne form for oscillation kan vi betragte hændernes bevægelser, blade på træer.
For forcerede harmoniske svingninger kan der opstå en resonans, hvori med lige værdier af frekvensen af den ydre påvirkning og oscillatoren, med en kraftig stigning i amplitude.
Egne vibrationer i systemet under påvirkning af indre kræfter, efter at det er taget ud af ligevægt. Den enkleste version af frie vibrationer er bevægelsen af en last, der er ophængt i et gevind eller fastgjort til en fjeder.
Selvoscillationer er typer, hvor systemet har en vis mængde potentiel energi, der bruges til at lave svingninger. Deres kendetegn er, at amplituden er kendetegnet ved selve systemets egenskaber og ikke af startbetingelserne.
For tilfældige udsving har den eksterne belastning en tilfældig værdi.
Grundlæggende parametre for oscillerende bevægelser
Alle vibrationstilstande har visse egenskaber, som bør nævnes separat.
Amplituden er den maksimale afvigelse fra ligevægtspositionen, afvigelsen af en fluktuerende værdi, den måles i meter.
Periode er tidspunktet for et fuldt sving igennemsom gentager systemkarakteristika, beregnes i sekunder.
Frekvens bestemmes af antallet af svingninger pr. tidsenhed, den er omvendt proportional med oscillationsperioden.
Oscillationsfasen karakteriserer systemets tilstand.
Karakteristisk for harmoniske svingninger
Sådanne typer af svingninger forekommer i henhold til loven om cosinus eller sinus. Fourier formåede at fastslå, at enhver periodisk oscillation kan repræsenteres som summen af harmoniske ændringer ved at udvide en bestemt funktion til en Fourier-række.
Tag som et eksempel et pendul med en bestemt periode og cyklisk frekvens.
Hvad kendetegner disse typer af udsving? Fysikken anser det matematiske pendul for at være et idealiseret system, som består af et materielt punkt, som er ophængt på en vægtløs uudvidelig tråd, svinger under påvirkning af tyngdekraften.
Sådanne typer vibrationer har en vis mængde energi, de er almindelige i naturen og teknologien.
Med langvarig oscillerende bevægelse ændres koordinaten for dets massecenter, og med vekselstrøm ændres værdien af strøm og spænding i kredsløbet.
Der er forskellige typer af harmoniske svingninger af fysisk natur: elektromagnetiske, mekaniske osv.
Rysten af et køretøj, der bevæger sig på en ujævn vej, virker som en tvungen svingning.
Væsentlige forskelle mellem tvunget og gratisudsving
Disse typer elektromagnetiske oscillationer adskiller sig i fysiske egenskaber. Tilstedeværelsen af middel modstand og friktionskræfter fører til dæmpning af frie svingninger. I tilfælde af tvangssvingninger kompenseres energitab ved dens ekstra forsyning fra en ekstern kilde.
Perioden for et fjederpendul relaterer kroppens masse og fjederens stivhed. I tilfælde af et matematisk pendul afhænger det af længden af tråden.
Med en kendt periode kan du beregne den naturlige frekvens for det oscillatoriske system.
I teknologi og natur er der udsving med forskellige frekvensværdier. For eksempel har pendulet, der svinger i St. Isaac's Cathedral i Skt. Petersborg, en frekvens på 0,05 Hz, mens det for atomer er flere millioner megahertz.
Efter et vist tidsrum observeres dæmpning af frie svingninger. Derfor bruges tvangssvingninger i praksis. De er efterspurgte i en række vibrationsmaskiner. Vibrationshammeren er en stødvibrationsmaskine, der er designet til at slå rør, pæle og andre metalkonstruktioner ned i jorden.
Elektromagnetiske oscillationer
Karakterisering af oscillationstilstande involverer analyse af de vigtigste fysiske parametre: ladning, spænding, strømstyrke. Som et elementært system, der bruges til at observere elektromagnetiske svingninger, er et oscillerende kredsløb. Den er dannet ved at forbinde en spole og en kondensator i serie.
Når kredsløbet er lukket, fri elektromagnetiskudsving i forbindelse med periodiske ændringer i den elektriske ladning på kondensatoren og strømmen i spolen.
De er gratis på grund af det faktum, at når de udføres, er der ingen ekstern påvirkning, men kun den energi, der er lagret i selve kredsløbet, der bruges.
Hvis vi betragter spolens modstand som nul og tager oscillationsperioden som T, kan vi betragte en komplet oscillation lavet af systemet.
I fravær af ekstern påvirkning observeres dæmpningen af den elektromagnetiske svingning efter et vist tidsrum. Årsagen til dette fænomen vil være den gradvise afladning af kondensatoren, samt den modstand, som spolen faktisk har.
Det er grunden til, at dæmpede svingninger forekommer i et rigtigt kredsløb. Reduktion af ladningen på kondensatoren fører til et fald i energiværdien i sammenligning med dens oprindelige værdi. Gradvist vil det blive frigivet som varme på forbindelsesledningerne og spolen, kondensatoren vil blive fuldstændig afladet, og den elektromagnetiske oscillation vil blive afsluttet.
Betydningen af udsving i videnskab og teknologi
Enhver bevægelse, der har en vis grad af gentagelse, er svingninger. For eksempel er et matematisk pendul karakteriseret ved en systematisk afvigelse i begge retninger fra den oprindelige lodrette position.
For et fjederpendul svarer et fuldt sving til dets bevægelse op og ned fra udgangspositionen.
I et elektrisk kredsløb, der har kapacitans og induktans, er der en gentagelse af ladningen påkondensatorplader. Hvad er årsagen til oscillerende bevægelser? Pendulet fungerer på grund af det faktum, at tyngdekraften får det til at vende tilbage til sin oprindelige position. I tilfælde af en fjedermodel udføres en lignende funktion af fjederens elastiske kraft. Ved at passere ligevægtspositionen har lasten en vis hastighed, derfor bevæger den sig ved inerti forbi den gennemsnitlige tilstand.
Elektriske svingninger kan forklares med den potentielle forskel, der findes mellem pladerne på en opladet kondensator. Selv når den er helt afladet, forsvinder strømmen ikke, den genoplades.
Moderne teknologi bruger fluktuationer, der adskiller sig væsentligt i deres natur, gentagelsesgrad, natur og også udseendets "mekanisme".
Mekaniske vibrationer er lavet af strenge af musikinstrumenter, havbølger, et pendul. Kemiske fluktuationer forbundet med en ændring i koncentrationen af reaktanter tages i betragtning, når der udføres forskellige interaktioner.
Elektromagnetiske oscillationer gør det muligt at skabe forskellige tekniske enheder, såsom telefoner, medicinsk ultralydsudstyr.
Cepheidernes lysstyrkeudsving er af særlig interesse for astrofysik, og videnskabsmænd fra forskellige lande studerer dem.
Konklusion
Alle typer af svingninger er tæt forbundet med et stort antal tekniske processer og fysiske fænomener. Deres praktiske betydning er stor inden for flykonstruktion, skibsbygning, konstruktion af boligkomplekser, elektroteknik, radioelektronik, medicin og grundlæggende videnskab. Et eksempel på en typisk oscillerende proces ifysiologi favoriserer bevægelsen af hjertemusklen. Mekaniske vibrationer findes i organisk og uorganisk kemi, meteorologi og mange andre naturvidenskaber.
De første undersøgelser af det matematiske pendul blev udført i det syttende århundrede, og i slutningen af det nittende århundrede var videnskabsmænd i stand til at fastslå karakteren af elektromagnetiske svingninger. Den russiske videnskabsmand Alexander Popov, som betragtes som radiokommunikationens "fader", udførte sine eksperimenter netop på grundlag af teorien om elektromagnetiske svingninger, resultaterne af forskning udført af Thomson, Huygens og Rayleigh. Det lykkedes ham at finde en praktisk anvendelse til elektromagnetiske svingninger, at bruge dem til at transmittere et radiosignal over en lang afstand.
Akademiker P. N. Lebedev har i mange år udført eksperimenter relateret til produktionen af højfrekvente elektromagnetiske svingninger ved hjælp af vekslende elektriske felter. Takket være adskillige eksperimenter relateret til forskellige typer vibrationer er det lykkedes forskerne at finde områder, hvor de kan bruges optim alt inden for moderne videnskab og teknologi.
