Видове колебания във физиката и техните характеристики

Има различни видове колебания във физиката, характеризиращи се с определени параметри. Нека да разгледаме основните им различия, класифициране по различни фактори.

Основни дефиниции

Чрез колебание се има предвид процес, при който на редовни интервали основните характеристики на движението имат едни и същи стойности.

Периодично се наричат ​​такива колебания, при които стойностите на основните количества се повтарят през същите интервали от време (период на трептене).

Сортове на осцилаторни процеси

Нека разгледаме основните типове колебания, които съществуват в основната физика.

Свободните вибрации се наричат ​​колебания, които се появяват в система, която не е подложена на външни променливи влияния след първоначалния шок.

Пример за свободни трептения е математическо махало.

Тези видове механични колебания, които възникват в системата под действието на външна променлива сила.

Функции за класификация

Следните типове колебателни движения се отличават с физическо естество:

• механично;
• термичен;
• електромагнитно;
• смесена.

Според варианта на взаимодействие с околната среда

Видовете вибрации в взаимодействие с околната среда разграничават няколко групи.

Принудителните трептения се появяват в системата под действието на външно периодично действие. Като примери за този тип вибрации може да се разгледа движението на ръцете, листата върху дърветата.

За принудителни хармонични трептения може да се получи резонанс, при който за еднакви стойности на честотата на външното действие и на осцилатора с рязко увеличение на амплитудата.

Собствени трептения в системата под влиянието на вътрешните сили, след като се извадят от равновесното състояние. Най-простата версия на свободните колебания е движението на товар, който е окачен на нишка или е прикрепен към пружина.

Самообощението се отнася до видовете, при които системата има определен резерв от потенциална енергия, която води до колебания. Отличителна черта на тях е фактът, че амплитудата се характеризира със свойствата на самата система, а не с първоначалните условия.

За случайни трептения външното натоварване има произволна стойност.

Основни параметри на колебателните движения

Всички видове колебания имат определени характеристики, които трябва да се споменават поотделно.

Амплитудата е максималното отклонение от равновесното положение, отклонението на колебателното количество, измерено в метри.

Периодът е времето на едно пълно колебание, през което се повтарят характеристиките на системата, се изчислява в секунди.

Честотата се определя от броя на колебанията на единица време, тя е обратно пропорционална на периода на колебания.

Фазата на трептенията характеризира състоянието на системата.

Характеристика на хармоничните трептения

Такива видове колебания се случват съгласно закона на косинуса или синусите. Фурие успя да установи, че всяко периодично трептене може да бъде представено като сума от хармонични промени чрез разширяване на определена функция в Серии на Фурие.

Като пример можем да разгледаме едно махало с определен период и циклична честота.

Какви са характеристиките на тези видове колебания? Физиката смята математическо махало идеализирана система, която се състои от материална точка, която е окачена на безтегловност, която не се разтяга, осцилира под влиянието на гравитацията.

Тези видове колебания имат определено количество енергия, те са общи по своя характер и технология.

С непрекъснато осцилаторно движение координатите на центъра на масата се променят, а при променлив ток стойността на тока и напрежението в схемата се променя.

Разпределете различни видове хармонични трептения във физическата им природа: електромагнитни, механични и др.

Тъй като принудителните колебания се появява разклащането на превозното средство, което се движи по неравен път.

Основните разлики между принудителните и свободните колебания

Тези видове електромагнитни трептения се различават по техните физически характеристики. Наличието на съпротивление на средата и силата на триене води до намаляване на свободните колебания. В случай на принудителни трептения енергийните загуби се компенсират от допълнителния му прием от външен източник.

Периодът на пружинното махало свързва телесната маса и пружинната скованост. В случай на математическо махало, това зависи от дължината на спиралата.

За известен период може да се изчисли естествената честота на осцилаторната система.

В технологиите и природата има колебания с различни честоти. Например, махалото, което се движи в катедралата "Св. Исак" в Санкт Петербург, има честота от 0,05 Hz, а за атомите - няколко милиона мегахерца.

След определен период от време се наблюдава отслабване на свободните колебания. Ето защо принудителните колебания се използват в реалната практика. Те са търсени в различни вибриращи машини. Вибро-чук е ударно-вибрираща машина, която е предназначена за задвижване на тръби, пилоти и други метални конструкции в земята.

Електромагнитни колебания

Характеризирането на режимите на трептене включва анализ на основните физически параметри: заряд, напрежение, ампераж. Като елементарна система, която се използва за наблюдение на електромагнитни трептения, е осцилаторната верига. Тя се формира от серийна връзка на серпентина и кондензатор.

Когато веригата е затворена, в нея възникват свободни електромагнитни колебания, свързани с периодични промени на електрическия заряд върху кондензатора и тока в намотката.

Те са свободни поради факта, че когато са извършени, няма външно влияние и се използва само енергия, която се съхранява в самата верига.

Ако приемем, че съпротивлението на намотката е нула и периодът на колебание е взет като Т, можем да разгледаме едно цялостно колебание, направено от системата.

При отсъствие на външно влияние, след определен период от време, се наблюдава амортизация на електромагнитните трептения. Причината за това явление е постепенното изпускане на кондензатора, както и съпротивлението, което всъщност има намотката.

Ето защо в реалната верига се появяват помпени колебания. Намаляването на заряда на кондензатора води до намаляване на енергийната стойност в сравнение с първоначалната му стойност. Постепенно тя ще се отдели под формата на топлина върху свързващите проводници и намотка, кондензаторът ще бъде напълно разреден и електромагнитното трептене ще свърши.

Значението на колебанията в науката и технологиите

Всяко движение, което има известна степен на повтаряне, е колебание. Например, математическо махало се характеризира със системно отклонение от двете страни на първоначалното вертикално положение.

За едно пружинно махало едно цялостно колебание съответства на движението му нагоре и надолу от първоначалното му положение.

В електрическата верига, която има капацитет и индуктивност, се наблюдава заряд на кондензаторните пластини. Каква е причината за вибрационните движения? Махалото функционира, защото гравитацията го принуждава да се върне в първоначалното си положение. В случай на пружинен модел подобна сила се упражнява от еластичната сила на пружината. Преминавайки позицията на равновесие, натоварването има определена скорост, поради което чрез инерция се движи през средното състояние.

Електрическите колебания могат да се обяснят с разликата в потенциала между плочите на заредения кондензатор. Дори при пълното му разреждане токът не изчезва и зарядът се презарежда.

В съвременната технология се използват колебания, които се различават значително по характер, степен на повтаряне, характер, а също и "механизъм" на външния вид.

Механичните вибрации правят струни от музикални инструменти, морски вълни, махало. Химическите колебания, свързани с промяна в концентрацията на реагиращи вещества, се вземат предвид при извършване на различни взаимодействия.

Електромагнитните трептения позволяват създаването на различни технически средства, например телефон, ултразвукови медицински устройства.

Колебанията в яркостта на цефеидите са от особен интерес за астрофизика, а учените от различни страни се занимават с тяхното изучаване.

заключение

Всички видове трептения са тясно свързани с огромен брой технически процеси и физически явления. Практическото им значение в строителството на самолети, строителство на кораби, изграждане на жилищни комплекси, електротехника, радио електроника, медицина и фундаментална наука е страхотно. Пример за типичен осцилаторен процес във физиологията е движението на сърдечния мускул. Механични колебания се срещат в органичната и неорганичната химия, метеорологията, както и в много други природни науки.

Първите изследвания на математическото махало се извършват през седемнадесети век, а до края на деветнадесети век учените са успели да установят естеството на електромагнитните трептения. Руският учен Александър Попов, който се смята за "баща" на радиокомуникацията, провежда експериментите си точно въз основа на теорията на електромагнитните трептения, резултатите от разследванията на Thomson, Huygens и Rayleigh. Той успя да намери практическо приложение на електромагнитни трептения, които да ги използват за предаване на радиосигнал на голямо разстояние.

Академик П. Л. Лебедев в продължение на много години провежда експерименти, свързани с получаването на високи честоти на електромагнитни смущения чрез различни електрически полета. Благодарение на многобройните експерименти, свързани с различни видове колебания, учените успяха да намерят области за оптималното им използване в съвременната наука и технологии.