Det finns olika typer av svängningar i fysiken, kännetecknade av vissa parametrar. Tänk på deras huvudsakliga skillnader, klassificering enligt olika faktorer.
Grundläggande definitioner
Under fluktuation menas en process där rörelsens huvudegenskaper med jämna mellanrum har samma värden.
Periodiska svängningar är de där värdena för grundstorheterna upprepas med jämna mellanrum (svängningsperiod).
Varianter av oscillerande processer
Låt oss överväga huvudtyperna av svängningar som finns i fundamental fysik.
Fri vibrationer är de som uppstår i ett system som inte utsätts för yttre variabla influenser efter den första stöten.
Ett exempel på fri oscillation är en matematisk pendel.
De typer av mekaniska vibrationer som uppstår i systemet under inverkan av en extern variabel kraft.
Klassificeringsfunktioner
Av fysisk natur särskiljs följande typer av oscillerande rörelser:
- mekanisk;
- termisk;
- elektromagnetisk;
- mixed.
Enligt möjligheten att interagera med miljön
Typer av fluktuationer i samspel med omgivningen är indelade i flera grupper.
Tvångssvängningar uppträder i systemet under inverkan av en extern periodisk åtgärd. Som exempel på denna typ av svängningar kan vi betrakta händernas rörelser, löv på träd.
För påtvingade övertonssvängningar kan en resonans uppträda, i vilken, med lika värden på frekvensen av den yttre påverkan och oscillatorn, med en kraftig ökning av amplituden.
Egna vibrationer i systemet under påverkan av interna krafter efter att det tagits ur jämvikt. Den enklaste varianten av fria vibrationer är rörelsen av en last som är upphängd i en gänga eller fäst vid en fjäder.
Självsvängningar är typer där systemet har en viss mängd potentiell energi som används för att göra svängningar. Deras utmärkande särdrag är det faktum att amplituden kännetecknas av egenskaperna hos själva systemet och inte av initialförhållandena.
För slumpmässiga fluktuationer har den externa lasten ett slumpmässigt värde.
Grundläggande parametrar för oscillerande rörelser
Alla vibrationslägen har vissa egenskaper som bör nämnas separat.
Amplituden är den maximala avvikelsen från jämviktspositionen, avvikelsen för ett fluktuerande värde, den mäts i meter.
Perioden är tiden för en hel gång, igenomsom upprepar systemets egenskaper, beräknas i sekunder.
Frekvens bestäms av antalet svängningar per tidsenhet, den är omvänt proportionell mot svängningsperioden.
Oscillationsfasen karakteriserar systemets tillstånd.
Karakteristisk för harmoniska svängningar
Sådana typer av svängningar uppstår enligt lagen om cosinus eller sinus. Fourier lyckades fastställa att varje periodisk svängning kan representeras som summan av harmoniska förändringar genom att expandera en viss funktion till en Fourier-serie.
Tänk som ett exempel en pendel med en viss period och cyklisk frekvens.
Vad kännetecknar dessa typer av fluktuationer? Fysiken anser att den matematiska pendeln är ett idealiserat system, som består av en materiell punkt, som är upphängd på en viktlös outtöjbar tråd, svänger under inverkan av gravitationen.
Sådana typer av vibrationer har en viss mängd energi, de är vanliga i naturen och tekniken.
Med långvarig oscillerande rörelse ändras koordinaten för dess masscentrum, och med växelström ändras värdet på ström och spänning i kretsen.
Det finns olika typer av harmoniska svängningar av fysisk natur: elektromagnetiska, mekaniska, etc.
Skakandet av ett fordon som rör sig på en ojämn väg fungerar som en påtvingad svängning.
Huvudskillnaderna mellan tvång och gratisfluktuationer
Dessa typer av elektromagnetiska oscillationer skiljer sig åt i fysiska egenskaper. Närvaron av medelmotstånd och friktionskrafter leder till dämpning av fria svängningar. I fallet med forcerade svängningar kompenseras energiförlusterna av dess extra tillförsel från en extern källa.
Perioden för en fjäderpendel relaterar kroppens massa och fjäderns styvhet. När det gäller en matematisk pendel beror det på längden på tråden.
Med en känd period kan du beräkna den naturliga frekvensen för det oscillerande systemet.
Inom teknik och natur finns det fluktuationer med olika frekvensvärden. Till exempel har pendeln som pendlar i St. Isaks katedral i St. Petersburg en frekvens på 0,05 Hz, medan den för atomer är flera miljoner megahertz.
Efter en viss tidsperiod observeras dämpning av fria svängningar. Det är därför forcerade svängningar används i verklig praktik. De är efterfrågade i en mängd olika vibrationsmaskiner. Vibrationshammaren är en stötvibrationsmaskin som är designad för att slå ner rör, pålar och andra metallkonstruktioner i marken.
Elektromagnetiska oscillationer
Karakterisering av oscillationslägen involverar analys av de huvudsakliga fysiska parametrarna: laddning, spänning, strömstyrka. Som ett elementärt system, som används för att observera elektromagnetiska oscillationer, är en oscillerande krets. Den bildas genom att ansluta en spole och en kondensator i serie.
När kretsen är sluten, fri elektromagnetiskfluktuationer i samband med periodiska förändringar i den elektriska laddningen på kondensatorn och strömmen i spolen.
De är gratis på grund av det faktum att när de utförs finns det ingen yttre påverkan, utan endast energin som är lagrad i själva kretsen används.
Om vi betraktar spolens resistans som noll och tar oscillationsperioden som T, kan vi betrakta en komplett svängning gjord av systemet.
I frånvaro av yttre påverkan, efter en viss tidsperiod, observeras dämpningen av den elektromagnetiska svängningen. Orsaken till detta fenomen kommer att vara den gradvisa urladdningen av kondensatorn, samt det motstånd som spolen faktiskt har.
Det är därför dämpade svängningar uppstår i en riktig krets. Att minska laddningen på kondensatorn leder till en minskning av energivärdet i jämförelse med dess ursprungliga värde. Gradvis kommer det att släppas ut som värme på anslutningstrådarna och spolen, kondensatorn kommer att laddas ur helt och den elektromagnetiska svängningen kommer att fullbordas.
Vikten av fluktuationer inom vetenskap och teknik
Alla rörelser som har en viss grad av upprepning är svängningar. Till exempel kännetecknas en matematisk pendel av en systematisk avvikelse i båda riktningarna från den ursprungliga vertikala positionen.
För en fjäderpendel motsvarar en hel sväng dess rörelse upp och ner från utgångsläget.
I en elektrisk krets som har kapacitans och induktans sker en upprepning av laddningen påkondensatorplattor. Vad är orsaken till oscillerande rörelser? Pendeln fungerar på grund av att gravitationen gör att den återgår till sitt ursprungliga läge. När det gäller en fjädermodell utförs en liknande funktion av fjäderns elastiska kraft. Genom att passera jämviktspositionen har lasten en viss hastighet, därför förflyttar den sig genom tröghet förbi medeltillståndet.
Elektriska svängningar kan förklaras av potentialskillnaden som finns mellan plattorna på en laddad kondensator. Även när den är helt urladdad försvinner inte strömmen, den laddas upp igen.
Modern teknik använder fluktuationer som skiljer sig markant i sin natur, grad av upprepning, natur och även utseendets "mekanism".
Mekaniska vibrationer skapas av strängar av musikinstrument, havsvågor, en pendel. Kemiska fluktuationer associerade med en förändring i koncentrationen av reaktanter tas med i beräkningen när olika interaktioner utförs.
Elektromagnetiska oscillationer tillåter skapandet av olika tekniska enheter, såsom telefoner, medicinsk ultraljudsutrustning.
Cepheidernas ljusstyrkafluktuationer är av särskilt intresse inom astrofysik, och forskare från olika länder studerar dem.
Slutsats
Alla typer av svängningar är nära relaterade till ett stort antal tekniska processer och fysiska fenomen. Deras praktiska betydelse är stor inom flygplanskonstruktion, skeppsbyggnad, konstruktion av bostadskomplex, elektroteknik, radioelektronik, medicin och grundläggande vetenskap. Ett exempel på en typisk oscillerande process ifysiologi gynnar hjärtmuskelns rörelse. Mekaniska vibrationer finns i organisk och oorganisk kemi, meteorologi och många andra naturvetenskaper.
De första studierna av den matematiska pendeln utfördes på 1600-talet och i slutet av artonhundratalet kunde forskare fastställa karaktären hos elektromagnetiska svängningar. Den ryske vetenskapsmannen Alexander Popov, som anses vara "fadern" till radiokommunikation, utförde sina experiment just på grundval av teorin om elektromagnetiska svängningar, resultaten av forskning av Thomson, Huygens och Rayleigh. Han lyckades hitta en praktisk tillämpning för elektromagnetiska svängningar, att använda dem för att sända en radiosignal över långa avstånd.
Akademiker P. N. Lebedev har under många år genomfört experiment relaterade till produktionen av högfrekventa elektromagnetiska svängningar med hjälp av alternerande elektriska fält. Tack vare många experiment relaterade till olika typer av vibrationer har forskare lyckats hitta områden för deras optimala användning inom modern vetenskap och teknik.
