I vardagen möter en person ständigt manifestationer av oscillerande rörelser. Detta är pendelns svängning i klockan, vibrationerna från bilfjädrar och hela bilen. Även en jordbävning är inget annat än vibrationer av jordskorpan. Höghus svajar också för kraftiga vindbyar. Låt oss försöka ta reda på hur fysiken förklarar detta fenomen.
Pendel som ett oscillerande system
Det mest uppenbara exemplet på oscillerande rörelse är väggklockans pendel. Pendelns passage från den högsta punkten till vänster till den högsta punkten till höger kallas dess fulla gång. Perioden för en sådan fullständig oscillation kallas omkretsen. Oscillationsfrekvensen är antalet svängningar per sekund.
För att studera svängningar används en enkel trådpendel, som görs genom att en liten metallkula hängs på en tråd. Om vi föreställer oss att bollen är en materiell punkt, och tråden har ingen massa vid absolutflexibilitet och brist på friktion får du en teoretisk, så kallad matematisk pendel.
Svängningsperioden för en sådan "ideal" pendel kan beräknas med formeln:
T=2π √ l/g, där l är pendelns längd, g är accelerationen för fritt fall.
Formeln visar att pendelns svängningsperiod inte beror på dess massa och inte tar hänsyn till vinkeln för avvikelse från jämviktspositionen.
Transformation of energy
Vilken är mekanismen för pendelrörelser, som upprepas med en viss period till och med i det oändliga, om det inte fanns några friktions- och motståndskrafter, för att övervinna som ett visst arbete krävs?
Pendeln börjar svänga på grund av energin som tillförs den. I det ögonblick som pendeln tas bort från det vertikala läget ger vi den en viss mängd potentiell energi. När pendeln rör sig från sin topppunkt till sin utgångsposition omvandlas potentiell energi till kinetisk energi. I detta fall kommer pendelns hastighet att bli störst, eftersom kraften som ger accelerationen minskar. På grund av det faktum att pendelns hastighet i utgångsläget är störst, stannar den inte, utan rör sig genom tröghet längre längs cirkelbågen till exakt samma höjd som den från vilken den gick ner. Det är så energi omvandlas under oscillerande rörelse från potential till kinetisk.
Höjden på pendeln är lika med höjden på dess sänkning. Galileo kom till denna slutsats när han utförde ett experiment med en pendel, senare uppkallad efter honom.
En pendels svängning är ett obestridligt exempel på lagen om energibevarande. Och de kallas harmoniska vibrationer.
Sinusvåg och fas
Vad är en harmonisk oscillerande rörelse. För att se principen för en sådan rörelse kan du utföra följande experiment. Vi hänger en tratt med sand på ribban. Under det lägger vi ett pappersark, som kan flyttas vinkelrätt mot fluktuationerna i tratten. Efter att ha satt tratten i rörelse flyttar vi papperet.
Resultatet är en vågig linje skriven i sand - en sinusform. Dessa svängningar, som sker i enlighet med sinuslagen, kallas sinusformade eller harmoniska. Med sådana fluktuationer kommer varje kvantitet som kännetecknar rörelsen att förändras enligt sinus- eller cosinuslagen.
Efter att ha undersökt sinusformen som bildas på kartongen, kan det noteras att sanden är ett lager av sand i dess olika sektioner av olika tjocklek: i toppen eller tråget av sinusoiden var den tätast upplagd. Detta tyder på att pendelns hastighet vid dessa punkter var den minsta, eller snarare noll, vid de punkter där pendeln vände om sin rörelse.
Begreppet fas spelar en stor roll i studiet av svängningar. Översatt till ryska betyder detta ord "manifestation". Inom fysiken är en fas ett specifikt steg i en periodisk process, det vill säga platsen på sinusformen där pendeln för närvarande befinner sig.
Tveksamheter på fri fot
Om det oscillerande systemet ges rörelse och sedan stoppaspåverkan av alla krafter och energier, då kommer svängningarna i ett sådant system att kallas fria. Svängningarna i pendeln, som lämnas åt sig själv, kommer gradvis att börja blekna, amplituden kommer att minska. Pendelns rörelse är inte bara variabel (snabbare i botten och långsammare i toppen), utan inte heller enhetligt variabel.
I harmoniska svängningar blir kraften som ger pendelaccelerationen svagare med en minskning av mängden avvikelse från jämviktspunkten. Det finns ett proportionellt samband mellan kraft och avböjningsavstånd. Därför kallas sådana vibrationer harmoniska, där avvikelsens vinkel från jämviktspunkten inte överstiger tio grader.
Tvingad rörelse och resonans
För praktisk tillämpning inom teknik, tillåts inte vibrationer att avta, vilket ger en extern kraft till det oscillerande systemet. Om den oscillerande rörelsen sker under yttre påverkan kallas den forcerad. Forcerade svängningar uppstår med den frekvens som en yttre påverkan sätter dem. Frekvensen av den verkande yttre kraften kan eller kanske inte sammanfaller med frekvensen av pendelns naturliga svängningar. När de sammanfaller ökar svängningarnas amplitud. Ett exempel på en sådan ökning är en sving som lyfter högre om du under rörelse ger dem acceleration och slår i takt med deras egen rörelse.
Detta fenomen i fysiken kallas resonans och är av stor betydelse för praktiska tillämpningar. Till exempel, när man ställer in en radiomottagare till önskad våg, bringas den i resonans med motsvarande radiostation. Resonansfenomenet har också negativa konsekvenser,leder till förstörelse av byggnader och broar.
Självförsörjande system
Förutom påtvingade och fria vibrationer finns det även självsvängningar. De uppstår med frekvensen av själva det oscillerande systemet när de utsätts för en konstant snarare än en variabel kraft. Ett exempel på självsvängningar är en klocka, där pendelns rörelse tillhandahålls och upprätthålls genom att linda upp fjädern eller sänka lasten. När man spelar fiol sammanfaller strängarnas naturliga vibrationer med kraften som uppstår från stråkens inverkan, och ett ljud av en viss tonalitet uppträder.
Oscillerande system är olika, och studiet av processerna som förekommer i dem i praktiska experiment är intressant och informativt. Den praktiska tillämpningen av oscillerande rörelse i vardagen, vetenskap och teknik är olika och oumbärlig: från svänggungor till tillverkning av raketmotorer.
