Fizikoje yra įvairių tipų svyravimų, kuriems būdingi tam tikri parametrai. Apsvarstykite pagrindinius jų skirtumus, klasifikaciją pagal skirtingus veiksnius.
Pagrindiniai apibrėžimai
Svyravimas – tai procesas, kurio metu reguliariais intervalais pagrindinės judesio charakteristikos yra vienodos.
Periodiniai svyravimai yra tie, kuriuose pagrindinių dydžių reikšmės kartojasi reguliariais intervalais (svyravimo periodas).
Svyravimo procesų įvairovė
Panagrinėkime pagrindinius svyravimų tipus, kurie egzistuoja fundamentalioje fizikoje.
Laisvoji vibracija yra ta, kuri atsiranda sistemoje, kuri po pradinio smūgio nėra veikiama išorinių kintamų poveikių.
Laisvo svyravimo pavyzdys yra matematinė švytuoklė.
Tų tipų mechaniniai virpesiai, atsirandantys sistemoje veikiant išorinei kintamajai jėgai.
Klasifikavimo ypatybės
Pagal fizinę prigimtį išskiriami šie virpesių judesių tipai:
- mechaninis;
- terminis;
- elektromagnetinis;
- mišrus.
Pagal sąveikos su aplinka parinktį
Sąveikos su aplinka svyravimų tipai skirstomi į kelias grupes.
Priverstiniai svyravimai sistemoje atsiranda veikiant išoriniam periodiniam veiksmui. Tokio svyravimo pavyzdžiais galime laikyti rankų judėjimą, lapus ant medžių.
Priverstinių harmoninių virpesių atveju gali atsirasti rezonansas, kuriame, esant vienodoms išorinio poveikio ir osciliatoriaus dažnio reikšmėms, smarkiai padidėjus amplitudei.
Savos vibracijos sistemoje, veikiamos vidinių jėgų, ją išvedus iš pusiausvyros. Paprasčiausias laisvųjų virpesių variantas yra ant sriegio pakabintos arba prie spyruoklės pritvirtintos apkrovos judėjimas.
Savieji virpesiai yra tipai, kai sistema turi tam tikrą potencialios energijos kiekį, naudojamą virpesiams sukelti. Jų skiriamasis bruožas yra tai, kad amplitudę apibūdina pačios sistemos savybės, o ne pradinės sąlygos.
Atsitiktinių svyravimų atveju išorinė apkrova turi atsitiktinę reikšmę.
Pagrindiniai svyruojančių judesių parametrai
Visi vibracijos režimai turi tam tikrų savybių, kurias reikėtų paminėti atskirai.
Amplitudė yra didžiausias nuokrypis nuo pusiausvyros padėties, svyruojančios vertės nuokrypis, matuojamas metrais.
Laikotarpis yra vieno pilno apsisukimo laikaskuris kartoja sistemos charakteristikas, apskaičiuojamas sekundėmis.
Dažnis nustatomas pagal svyravimų skaičių per laiko vienetą, jis yra atvirkščiai proporcingas svyravimo periodui.
Svyravimo fazė apibūdina sistemos būseną.
Būdinga harmoniniams virpesiams
Tokie virpesių tipai atsiranda pagal kosinuso arba sinuso dėsnį. Furjė sugebėjo nustatyti, kad bet koks periodinis svyravimas gali būti pavaizduotas kaip harmoninių pokyčių suma, išplečiant tam tikrą funkciją į Furjė eilutę.
Kaip pavyzdį apsvarstykite švytuoklę su tam tikru periodu ir cikliškumu.
Kas būdingi tokio tipo svyravimams? Fizika matematinę švytuoklę laiko idealizuota sistema, kurią sudaro materialus taškas, pakabintas ant besvorio netampančio sriegio, svyruoja veikiamas gravitacijos.
Tokie virpesių tipai turi tam tikrą energijos kiekį, jie yra įprasti gamtoje ir technologijoje.
Esant ilgalaikiam virpesių judėjimui, keičiasi jo masės centro koordinatė, o esant kintamajai srovei, keičiasi srovės ir įtampos vertė grandinėje.
Pagal fizinę prigimtį yra įvairių tipų harmoninių virpesių: elektromagnetinių, mechaninių ir kt.
Nelygiu keliu judančios transporto priemonės drebėjimas veikia kaip priverstinis svyravimas.
Pagrindiniai skirtumai tarp priverstinio ir nemokamosvyravimai
Šių tipų elektromagnetiniai virpesiai skiriasi fizinėmis savybėmis. Vidutinio pasipriešinimo ir trinties jėgų buvimas sukelia laisvųjų svyravimų slopinimą. Priverstinių svyravimų atveju energijos nuostoliai kompensuojami papildomu jos tiekimu iš išorinio š altinio.
Spyruoklinės švytuoklės laikotarpis yra susijęs su kūno masės ir spyruoklės standumu. Matematinės švytuoklės atveju tai priklauso nuo sriegio ilgio.
Turėdami žinomą laikotarpį, galite apskaičiuoti natūralų virpesių sistemos dažnį.
Technologijoje ir gamtoje yra svyravimų su skirtingomis dažnio reikšmėmis. Pavyzdžiui, švytuoklės, kuri svyruoja Šv. Izaoko katedroje Sankt Peterburge, dažnis yra 0,05 Hz, o atomams – keli milijonai megahercų.
Po tam tikro laiko stebimas laisvųjų svyravimų slopinimas. Štai kodėl priverstiniai svyravimai naudojami realioje praktikoje. Jie yra paklausūs įvairiose vibracijos mašinose. Vibracinis plaktukas yra smūginė-vibracinė mašina, skirta vamzdžiams, poliams ir kitoms metalinėms konstrukcijoms įk alti į žemę.
Elektromagnetiniai virpesiai
Svyravimo režimų apibūdinimas apima pagrindinių fizikinių parametrų analizę: įkrovą, įtampą, srovės stiprumą. Kaip elementari sistema, naudojama elektromagnetiniams virpesiams stebėti, yra virpesių grandinė. Jis susidaro nuosekliai sujungiant ritę ir kondensatorių.
Kai grandinė uždaryta, laisvas elektromagnetinissvyravimai, susiję su periodiniais kondensatoriaus elektros krūvio ir ritės srovės pokyčiais.
Jie yra laisvi dėl to, kad juos atliekant nėra išorinio poveikio, o naudojama tik pačioje grandinėje sukaupta energija.
Jei ritės varžą laikysime nuliu, o virpesių periodą laikysime T, galime laikyti vieną pilną sistemos sukeltą virpesį.
Nesant išorinio poveikio, praėjus tam tikram laikui, stebimas elektromagnetinių virpesių slopinimas. Šio reiškinio priežastis bus laipsniškas kondensatoriaus iškrovimas, taip pat varža, kurią iš tikrųjų turi ritė.
Štai kodėl tikroje grandinėje atsiranda slopinami svyravimai. Sumažinus kondensatoriaus įkrovą, sumažėja energijos vertė, palyginti su pradine verte. Palaipsniui jis bus išleistas kaip šiluma ant jungiamųjų laidų ir ritės, kondensatorius visiškai išsikraus ir elektromagnetiniai virpesiai bus baigti.
Mokslo ir technologijų svyravimų svarba
Bet kokie judesiai, kurie turi tam tikrą pasikartojimo laipsnį, yra svyravimai. Pavyzdžiui, matematinei švytuoklei būdingas sistemingas nukrypimas į abi puses nuo pradinės vertikalios padėties.
Spyruoklinės švytuoklės vienas pilnas pasukimas atitinka jos judėjimą aukštyn ir žemyn nuo pradinės padėties.
Elektrinėje grandinėje, kurios talpa ir induktyvumas, pasikartojantis įkrovimaskondensatorių plokštės. Kokia yra svyruojančių judesių priežastis? Švytuoklė veikia dėl to, kad gravitacija verčia ją grįžti į pradinę padėtį. Spyruoklinio modelio atveju panašią funkciją atlieka spyruoklės tamprumo jėga. Pereidama pusiausvyros padėtį, apkrova turi tam tikrą greitį, todėl pagal inerciją ji juda už vidutinės būsenos.
Elektrinius virpesius galima paaiškinti potencialų skirtumu, kuris egzistuoja tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių. Net ir visiškai išsikrovus, srovė neišnyksta, ji įkraunama iš naujo.
Šiuolaikinėje technologijoje naudojami svyravimai, kurie labai skiriasi savo pobūdžiu, pasikartojimo laipsniu, pobūdžiu ir išvaizdos „mechanizmu“.
Mechaninius virpesius sukuria muzikos instrumentų stygos, jūros bangos, švytuoklė. Vykdant įvairias sąveikas atsižvelgiama į cheminius svyravimus, susijusius su reagentų koncentracijos pasikeitimu.
Elektromagnetiniai virpesiai leidžia sukurti įvairius techninius prietaisus, tokius kaip telefonai, ultragarsiniai medicinos prietaisai.
Cefeidų ryškumo svyravimai ypač domina astrofiziką, ir mokslininkai iš įvairių šalių juos tiria.
Išvada
Visų tipų svyravimai yra glaudžiai susiję su daugybe techninių procesų ir fizikinių reiškinių. Jų praktinė reikšmė didelė orlaivių statyboje, laivų statyboje, gyvenamųjų namų kompleksų statyboje, elektrotechnikoje, radioelektronikoje, medicinoje, fundamentiniuose moksluose. Tipiško svyravimo proceso pavyzdysfiziologija skatina širdies raumens judėjimą. Mechaninės vibracijos aptinkamos organinėje ir neorganinėje chemijoje, meteorologijoje ir daugelyje kitų gamtos mokslų.
Pirmieji matematinės švytuoklės tyrimai buvo atlikti XVII amžiuje, o iki XIX amžiaus pabaigos mokslininkams pavyko nustatyti elektromagnetinių virpesių prigimtį. Radijo ryšio „tėvu“laikomas rusų mokslininkas Aleksandras Popovas savo eksperimentus atliko būtent remdamasis elektromagnetinių virpesių teorija, Thomsono, Huygenso, Rayleigh tyrimų rezultatais. Jam pavyko rasti praktinį elektromagnetinių virpesių pritaikymą, panaudoti juos radijo signalui perduoti dideliu atstumu.
Akademikas P. N. Lebedevas daugelį metų atliko eksperimentus, susijusius su aukšto dažnio elektromagnetinių virpesių gamyba naudojant kintamus elektrinius laukus. Dėl daugybės eksperimentų, susijusių su įvairių tipų vibracijomis, mokslininkams pavyko rasti sritis, kuriose jos būtų optimaliai naudojamos šiuolaikiniame moksle ir technologijose.
