Kasdieniame gyvenime žmogus nuolat susiduria su svyruojančio judėjimo apraiškomis. Tai – švytuoklės siūbavimas laikrodyje, automobilio spyruoklių ir viso automobilio vibracijos. Net žemės drebėjimas yra ne kas kita, kaip žemės plutos virpesiai. Nuo stiprių vėjo gūsių siūbuoja ir aukštybiniai pastatai. Pabandykime išsiaiškinti, kaip fizika paaiškina šį reiškinį.
Švytuoklė kaip svyravimo sistema
Akivaizdžiausias svyruojančio judėjimo pavyzdys yra sieninio laikrodžio švytuoklė. Švytuoklės perėjimas iš aukščiausio taško kairėje į aukščiausią tašką dešinėje vadinamas pilnu jos siūbavimu. Vieno tokio visiško svyravimo periodas vadinamas perimetru. Virpesių dažnis yra virpesių skaičius per sekundę.
Svyravimams tirti naudojama paprasta sriegio švytuoklė, kuri gaminama ant sriegio pakabinant nedidelį metalinį rutuliuką. Jei įsivaizduosime, kad rutulys yra materialus taškas, o siūlas neturi absoliučios masėslankstumas ir trinties trūkumas, jūs gaunate teorinę, vadinamąją matematinę švytuoklę.
Tokios „idealios“švytuoklės svyravimo periodą galima apskaičiuoti naudojant formulę:
T=2π √ l / g, kur l yra švytuoklės ilgis, g yra laisvojo kritimo pagreitis.
Formulė rodo, kad švytuoklės svyravimo periodas nepriklauso nuo jos masės ir neatsižvelgia į nukrypimo nuo pusiausvyros padėties kampą.
Energijos transformacija
Koks yra švytuoklės judesių mechanizmas, pasikartojantis su tam tikru periodu net iki begalybės, jei nebūtų trinties ir pasipriešinimo jėgų, kurioms įveikti reikia tam tikro darbo?
Švytuoklė pradeda svyruoti dėl jai skiriamos energijos. Tuo momentu, kai švytuoklė nuimama iš vertikalios padėties, suteikiame jai tam tikrą potencialios energijos kiekį. Kai švytuoklė juda iš viršutinio taško į pradinę padėtį, potenciali energija paverčiama kinetine energija. Šiuo atveju švytuoklės greitis taps didžiausias, nes pagreitį suteikianti jėga mažėja. Dėl to, kad pradinėje padėtyje švytuoklės greitis yra didžiausias, ji nesustoja, o pagal inerciją juda toliau apskritimo lanku iki lygiai tokio aukščio, iš kurio ji nusileido. Taip energija paverčiama svyruojantį judėjimą iš potencialinio į kinetinį.
Švytuoklės aukštis lygus jos nuleidimo aukščiui. Galilėjus padarė tokią išvadą atlikdamas eksperimentą su švytuokle, vėliau pavadinta jo vardu.
Švytuoklės siūbavimas yra neginčijamas energijos tvermės dėsnio pavyzdys. Ir jie vadinami harmoniniais virpesiais.
Sinusinė banga ir fazė
Kas yra harmoninis svyruojantis judėjimas. Norėdami pamatyti tokio judėjimo principą, galite atlikti šį eksperimentą. Ant skersinio pakabiname piltuvėlį su smėliu. Po juo dedame popieriaus lapą, kurį galima paslinkti statmenai piltuvo svyravimams. Paleidę piltuvą, perkeliame popierių.
Rezultatas yra banguota linija, parašyta smėliu – sinusoidė. Šie virpesiai, atsirandantys pagal sinuso dėsnį, vadinami sinusiniais arba harmoniniais. Esant tokiems svyravimams, bet koks judėjimą apibūdinantis dydis pasikeis pagal sinuso arba kosinuso dėsnį.
Ištyrus ant kartono susidariusį sinusoidą, galima pastebėti, kad smėlis yra smėlio sluoksnis įvairiuose skirtingo storio pjūviuose: sinusoido viršuje arba lovoje jis buvo tankiausiai sukrautas. Tai rodo, kad šiuose taškuose švytuoklės greitis buvo mažiausias, tiksliau nulis, tuose taškuose, kuriuose švytuoklės judėjimas buvo priešingas.
Fazės sąvoka vaidina didžiulį vaidmenį tiriant virpesius. Išvertus į rusų kalbą šis žodis reiškia „pasireiškimas“. Fizikoje fazė yra konkretus periodinio proceso etapas, ty vieta sinusoidėje, kurioje šiuo metu yra švytuoklė.
Dvejojos laisvėje
Jei svyruojančiai sistemai suteikiamas judėjimas ir tada ji sustabdomabet kokių jėgų ir energijų įtaka, tada tokios sistemos svyravimai bus vadinami laisvaisiais. Savaime paliktos švytuoklės svyravimai pamažu pradės blėsti, mažės amplitudė. Švytuoklės judėjimas yra ne tik kintamas (greitesnis apačioje ir lėtesnis viršuje), bet ir nevienodai kintamas.
Harmoniniuose virpesiuose jėga, suteikianti švytuoklės pagreitį, silpnėja, mažėjant nukrypimo nuo pusiausvyros taško dydžiui. Tarp jėgos ir įlinkio atstumo yra proporcingas ryšys. Todėl tokie virpesiai vadinami harmoniniais, kurių nukrypimo nuo pusiausvyros taško kampas neviršija dešimties laipsnių.
Priverstinis judėjimas ir rezonansas
Praktiniam naudojimui inžinerijoje neleidžiama, kad vibracijos smuktų, o tai sukeltų išorinę jėgą svyruojančiai sistemai. Jei svyruojantis judėjimas vyksta veikiant išoriniam poveikiui, jis vadinamas priverstiniu. Priverstiniai svyravimai atsiranda tokiu dažniu, kokiu juos nustato išorinė įtaka. Veikiančios išorinės jėgos dažnis gali sutapti arba nesutapti su natūralių švytuoklės svyravimų dažniu. Kai sutampa, svyravimų amplitudė didėja. Tokio padidėjimo pavyzdys yra sūpynės, kurios pakyla aukščiau, jei judėjimo metu suteikiate jiems pagreitį ir pataikote į jų pačių judesio ritmą.
Šis reiškinys fizikoje vadinamas rezonansu ir yra labai svarbus praktiniam pritaikymui. Pavyzdžiui, derinant radijo imtuvą prie norimos bangos, jis rezonansuojamas su atitinkama radijo stotimi. Rezonanso reiškinys taip pat turi neigiamų pasekmių,dėl kurių sunaikinami pastatai ir tiltai.
Savarankiškos sistemos
Be priverstinių ir laisvųjų vibracijų, yra ir savaiminių virpesių. Jie atsiranda pačios svyruojančios sistemos dažniu, kai yra veikiami pastovios, o ne kintamos jėgos. Savaiminių svyravimų pavyzdys – laikrodis, kurio švytuoklės judėjimas užtikrinamas ir palaikomas išvyniojant spyruoklę arba nuleidus apkrovą. Grojant smuiku, natūralūs stygų virpesiai sutampa su jėga, kylančia dėl stryko įtakos, atsiranda tam tikros tonacijos garsas.
Virpesių sistemos yra įvairios, jose vykstančių procesų tyrimas praktiniuose eksperimentuose yra įdomus ir informatyvus. Praktinis virpesių judėjimo pritaikymas kasdieniame gyvenime, moksle ir technologijose yra įvairus ir būtinas: nuo sūpynių sūpynių iki raketų variklių gamybos.
