Vo fyzike existujú rôzne typy oscilácií, ktoré sa vyznačujú určitými parametrami. Zvážte ich hlavné rozdiely, klasifikáciu podľa rôznych faktorov.
Základné definície
Pod fluktuáciou sa rozumie proces, v ktorom majú hlavné charakteristiky pohybu v pravidelných intervaloch rovnaké hodnoty.
Periodické oscilácie sú také, pri ktorých sa hodnoty základných veličín opakujú v pravidelných intervaloch (obdobie oscilácií).
Rôzne oscilačné procesy
Pozrime sa na hlavné typy oscilácií, ktoré existujú vo fundamentálnej fyzike.
Voľné vibrácie sú tie, ktoré sa vyskytujú v systéme, ktorý nie je vystavený vonkajším premenlivým vplyvom po počiatočnom otrase.
Príkladom voľnej oscilácie je matematické kyvadlo.
Tieto typy mechanických vibrácií, ktoré sa vyskytujú v systéme pri pôsobení vonkajšej premenlivej sily.
Vlastnosti klasifikácie
Podľa fyzikálneho charakteru sa rozlišujú tieto typy oscilačných pohybov:
- mechanické;
- termálne;
- elektromagnetické;
- zmiešané.
Podľa možnosti interakcie s prostredím
Typy fluktuácií v interakcii s prostredím sú rozdelené do niekoľkých skupín.
Vynútené oscilácie sa objavujú v systéme pôsobením externého periodického pôsobenia. Ako príklady tohto druhu oscilácie môžeme považovať pohyb rúk, lístia na stromoch.
Pri nútených harmonických osciláciách sa môže objaviť rezonancia, pri ktorej pri rovnakých hodnotách frekvencie vonkajšieho vplyvu a oscilátora dochádza k prudkému nárastu amplitúdy.
Vlastné vibrácie v systéme pod vplyvom vnútorných síl po jeho vyvedení z rovnováhy. Najjednoduchším variantom voľných vibrácií je pohyb bremena, ktoré je zavesené na závite alebo pripevnené k pružine.
Vlastné oscilácie sú typy, pri ktorých má systém určité množstvo potenciálnej energie použitej na vytváranie oscilácií. Ich charakteristickým znakom je skutočnosť, že amplitúda je charakterizovaná vlastnosťami samotného systému a nie počiatočnými podmienkami.
Pre náhodné výkyvy má externé zaťaženie náhodnú hodnotu.
Základné parametre oscilačných pohybov
Všetky režimy vibrácií majú určité charakteristiky, ktoré by sa mali uviesť samostatne.
Amplitúda je maximálna odchýlka od rovnovážnej polohy, odchýlka kolísajúcej hodnoty, meria sa v metroch.
Obdobie je čas jedného plného pohybuktorý opakuje charakteristiky systému, sa počíta v sekundách.
Frekvencia je určená počtom oscilácií za jednotku času, je nepriamo úmerná perióde oscilácií.
Fáza oscilácie charakterizuje stav systému.
Charakteristika harmonických kmitov
Takéto typy oscilácií sa vyskytujú podľa zákona kosínusu alebo sínusu. Fourierovi sa podarilo zistiť, že každá periodická oscilácia môže byť reprezentovaná ako súčet harmonických zmien rozšírením určitej funkcie do Fourierovho radu.
Ako príklad si predstavte kyvadlo s určitou periódou a cyklickou frekvenciou.
Čo charakterizuje tieto typy výkyvov? Fyzika považuje matematické kyvadlo za idealizovaný systém, ktorý pozostáva z hmotného bodu, ktorý je zavesený na beztiažovej neroztiahnuteľnej nite, kmitá vplyvom gravitácie.
Takéto typy vibrácií majú určité množstvo energie, sú bežné v prírode a technike.
Pri dlhotrvajúcom oscilačnom pohybe sa mení súradnica jeho ťažiska a pri striedavom prúde sa mení hodnota prúdu a napätia v obvode.
Podľa fyzickej povahy existujú rôzne typy harmonických oscilácií: elektromagnetické, mechanické atď.
Chvenie vozidla, ktoré sa pohybuje po nerovnej ceste, pôsobí ako nútené kmitanie.
Hlavné rozdiely medzi núteným a bezplatnýmkolísanie
Tieto typy elektromagnetických oscilácií sa líšia vo fyzikálnych charakteristikách. Prítomnosť stredného odporu a trecích síl vedie k tlmeniu voľných oscilácií. V prípade vynútených oscilácií sú straty energie kompenzované jej dodatočným prívodom z externého zdroja.
Obdobie pružinového kyvadla súvisí s hmotnosťou tela a tuhosťou pružiny. V prípade matematického kyvadla to závisí od dĺžky závitu.
So známou periódou môžete vypočítať vlastnú frekvenciu oscilačného systému.
V technológii a prírode existujú výkyvy s rôznymi hodnotami frekvencie. Napríklad kyvadlo, ktoré kmitá v Katedrále sv. Izáka v Petrohrade, má frekvenciu 0,05 Hz, pričom pre atómy je to niekoľko miliónov megahertzov.
Po určitom čase je pozorované tlmenie voľných oscilácií. Preto sa v reálnej praxi využívajú vynútené oscilácie. Sú žiadané v rôznych vibračných strojoch. Vibračné kladivo je rázovo-vibračný stroj, ktorý je určený na zarážanie rúr, hromád a iných kovových konštrukcií do zeme.
Elektromagnetické oscilácie
Charakterizácia režimov oscilácie zahŕňa analýzu hlavných fyzikálnych parametrov: náboj, napätie, sila prúdu. Ako elementárny systém, ktorý sa používa na pozorovanie elektromagnetických kmitov, je oscilačný obvod. Vzniká spojením cievky a kondenzátora do série.
Keď je okruh zatvorený, voľné elektromagnetickékolísanie spojené s periodickými zmenami elektrického náboja na kondenzátore a prúdu v cievke.
Sú zadarmo, pretože pri ich vykonávaní neexistuje žiadny vonkajší vplyv, ale využíva sa iba energia uložená v samotnom okruhu.
Ak odpor cievky považujeme za nulový a periódu oscilácie berieme ako T, môžeme považovať jednu úplnú osciláciu systému.
Pri absencii vonkajšieho vplyvu sa po určitom čase pozoruje tlmenie elektromagnetického kmitania. Dôvodom tohto javu bude postupné vybíjanie kondenzátora, ako aj odpor, ktorý cievka v skutočnosti má.
Preto dochádza v reálnom obvode k tlmeným osciláciám. Zníženie náboja na kondenzátore vedie k zníženiu energetickej hodnoty v porovnaní s jeho pôvodnou hodnotou. Postupne sa ako teplo uvoľní na spojovacích vodičoch a cievke, kondenzátor sa úplne vybije a elektromagnetické kmitanie sa dokončí.
Význam fluktuácií vo vede a technike
Akékoľvek pohyby, ktoré majú určitý stupeň opakovania, sú oscilácie. Napríklad matematické kyvadlo sa vyznačuje systematickou odchýlkou v oboch smeroch od pôvodnej vertikálnej polohy.
Pre pružinové kyvadlo zodpovedá jeden plný výkyv jeho pohybu hore a dole z počiatočnej polohy.
V elektrickom obvode, ktorý má kapacitu a indukčnosť, dochádza k opakovanému nabíjaniukondenzátorové dosky. Čo je príčinou oscilačných pohybov? Kyvadlo funguje vďaka tomu, že gravitácia spôsobuje jeho návrat do pôvodnej polohy. V prípade pružinového modelu podobnú funkciu plní elastická sila pružiny. Prejdením rovnovážnej polohy má záťaž určitú rýchlosť, preto sa zotrvačnosťou pohybuje za priemerným stavom.
Elektrické oscilácie možno vysvetliť potenciálnym rozdielom, ktorý existuje medzi doskami nabitého kondenzátora. Dokonca aj keď je úplne vybitý, prúd nezmizne, je dobitý.
Moderná technológia využíva výkyvy, ktoré sa výrazne líšia svojou povahou, stupňom opakovania, povahou a tiež „mechanizmom“vzhľadu.
Mechanické vibrácie vytvárajú struny hudobných nástrojov, morské vlny, kyvadlo. Chemické výkyvy spojené so zmenou koncentrácie reaktantov sa berú do úvahy pri vykonávaní rôznych interakcií.
Elektromagnetické oscilácie umožňujú vytváranie rôznych technických zariadení, ako sú telefóny, ultrazvukové lekárske prístroje.
Výkyvy jasu cefeíd sú mimoriadne zaujímavé pre astrofyziku a vedci z rôznych krajín ich študujú.
Záver
Všetky typy oscilácií úzko súvisia s obrovským množstvom technických procesov a fyzikálnych javov. Ich praktický význam je veľký pri stavbe lietadiel, lodiarstve, výstavbe obytných komplexov, elektrotechnike, rádioelektronike, medicíne a fundamentálnej vede. Príklad typického oscilačného procesu vfyziológia uprednostňuje pohyb srdcového svalu. Mechanické vibrácie sa vyskytujú v organickej a anorganickej chémii, meteorológii a mnohých ďalších prírodných vedách.
Prvé štúdie matematického kyvadla sa uskutočnili v sedemnástom storočí a koncom devätnásteho storočia boli vedci schopní zistiť povahu elektromagnetických oscilácií. Ruský vedec Alexander Popov, ktorý je považovaný za „otca“rádiovej komunikácie, viedol svoje experimenty práve na základe teórie elektromagnetických oscilácií, výsledkov výskumu Thomsona, Huygensa a Rayleigha. Podarilo sa mu nájsť praktickú aplikáciu pre elektromagnetické oscilácie, použiť ich na prenos rádiového signálu na veľkú vzdialenosť.
Akademik P. N. Lebedev dlhé roky uskutočňoval experimenty súvisiace s výrobou vysokofrekvenčných elektromagnetických oscilácií pomocou striedavých elektrických polí. Vďaka početným experimentom súvisiacim s rôznymi druhmi vibrácií sa vedcom podarilo nájsť oblasti pre ich optimálne využitie v modernej vede a technike.
