Vibračný a vlnový pohyb. oscilačný pohyb

Oscilačná charakteristika

Fáza určuje stav systému, a to súradnice, rýchlosť, zrýchlenie, energiu atď.

Cyklická frekvencia charakterizuje rýchlosť zmeny fázy kmitania.

Charakterizuje počiatočný stav oscilačného systému počiatočná fáza

Amplitúda oscilácie A je najväčšie posunutie z rovnovážnej polohy

Obdobie T- toto je časový úsek, počas ktorého bod vykoná jeden úplný kmit.

Oscilačná frekvencia je počet úplných kmitov za jednotku času t.

Frekvencia, cyklická frekvencia a perióda oscilácií spolu súvisia

Druhy vibrácií

Vibrácie, ktoré sa vyskytujú v uzavretých systémoch, sa nazývajú zadarmo alebo vlastné výkyvy. Vibrácie, ktoré vznikajú pod vplyvom vonkajších síl, sa nazývajú nútený. Existujú tiež samooscilácie(vynútené automaticky).

Ak uvažujeme oscilácie podľa meniacich sa charakteristík (amplitúda, frekvencia, perióda atď.), potom ich možno rozdeliť na harmonický, blednutiu, rastie(rovnako ako pílové, obdĺžnikové, zložité).

Pri voľných vibráciách v reálnych systémoch vždy dochádza k energetickým stratám. Mechanická energia sa vynakladá napríklad na vykonanie práce na prekonanie síl odporu vzduchu. Pod vplyvom trecej sily sa amplitúda kmitov znižuje a po chvíli sa kmity zastaví. Je zrejmé, že čím väčšia je sila odporu voči pohybu, tým rýchlejšie sa kmity zastavia.

Nútené vibrácie. Rezonancia

Nútené kmity sú netlmené. Preto je potrebné za každú periódu kmitania dopĺňať energetické straty. K tomu je potrebné pôsobiť na kmitajúce teleso periodicky sa meniacou silou. Nútené kmity sa vykonávajú s frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii zmien vonkajšej sily.

Nútené vibrácie

Amplitúda vynútených mechanických kmitov dosahuje najväčšiu hodnotu v prípade, že sa frekvencia hnacej sily zhoduje s frekvenciou kmitavého systému. Tento jav sa nazýva rezonancia.

Napríklad, ak pravidelne ťaháte šnúru v čase s jej vlastnými osciláciami, potom si všimneme zvýšenie amplitúdy jej oscilácií.


Ak po okraji pohára pohnete vlhkým prstom, sklo bude vydávať zvonivé zvuky. Aj keď to nie je viditeľné, prst sa pohybuje prerušovane a prenáša energiu do skla v krátkych dávkach, čo spôsobuje, že sklo vibruje.

Steny skla sa tiež začnú chvieť, keď naň nasmerujete. zvuková vlna s frekvenciou rovnou jeho vlastnej. Ak je amplitúda veľmi veľká, sklo sa môže dokonca rozbiť. Vplyvom rezonancie pri speve F.I.Chaliapina sa krištáľové prívesky lustrov triasli (rezonovali). Vznik rezonancie možno vysledovať v kúpeľni. Ak spievate zvuky rôznych frekvencií potichu, potom na jednej z frekvencií dôjde k rezonancii.

V hudobných nástrojoch plnia úlohu rezonátorov časti ich tiel. Človek má tiež svoj vlastný rezonátor - to je ústna dutina, ktorá zosilňuje vydávané zvuky.

Fenomén rezonancie treba brať do úvahy v praxi. V niektorých situáciách môže byť užitočná, v iných škodiť. Rezonančné javy môžu spôsobiť nezvratné poškodenie rôznych mechanických systémov, ako sú napríklad nesprávne navrhnuté mosty. A tak sa v roku 1905 zrútil egyptský most v Petrohrade, keď ním prechádzala jazdecká eskadra, a v roku 1940 sa zrútil most Tacoma v USA.

Rezonančný jav sa používa, keď je potrebné pomocou malej sily dosiahnuť veľké zvýšenie amplitúdy kmitov. Napríklad ťažkým jazykom veľkého zvona je možné švihnúť relatívne malou silou s frekvenciou rovnajúcou sa vlastnej frekvencii zvona.

Spolu s translačným a rotačným pohybom hrá oscilačný pohyb dôležitú úlohu v makro- a mikrosvete.

Rozlišujte medzi chaotickými a periodickými osciláciami. Periodické kmity sú charakteristické tým, že v určitých rovnakých časových intervaloch oscilačný systém prechádza rovnakými polohami. Príkladom je ľudský kardiogram, ktorý je záznamom kolísania elektrických signálov srdca (obr. 2.1). Na kardiograme je možné rozlíšiť oscilačná perióda, tie. čas T jeden úplný švih. Periodicita však nie je výlučným znakom kmitov, ale má aj rotačný pohyb. Prítomnosť rovnovážnej polohy je znakom mechanického kmitavého pohybu, zatiaľ čo rotácia je charakterizovaná takzvanou indiferentnou rovnováhou (dobre vyvážené koleso alebo ruleta sa pri roztočení zastaví v akejkoľvek polohe s ekvipravdepodobnosťou). Pri mechanických vibráciách v akejkoľvek polohe, okrem rovnovážnej, pôsobí sila, ktorá má tendenciu vrátiť kmitavý systém do východiskovej polohy, t.j. obnovujúca sila, vždy smeruje do rovnovážnej polohy. Prítomnosť všetkých troch vlastností odlišuje mechanické vibrácie od iných typov pohybu.

Ryža. 2.1.

Zvážte konkrétne príklady mechanických vibrácií.

Jeden koniec oceľového pravítka upneme do zveráka a druhý, voľný, vezmeme nabok a uvoľníme. Pôsobením elastických síl sa pravítko vráti do východisková pozícia, čo je rovnovážna poloha. Prechodom cez túto polohu (čo je rovnovážna poloha) budú mať všetky body pravítka (okrem upnutej časti) určitú rýchlosť a určité množstvo kinetickej energie. Zotrvačnosťou prejde oscilujúca časť pravítka rovnovážnu polohu a bude pôsobiť proti vnútorným elastickým silám v dôsledku poklesu kinetickej energie. To povedie k zvýšeniu potenciálnej energie systému. Keď je kinetická energia úplne vyčerpaná, potenciálna energia dosiahne maximum. Pružná sila pôsobiaca na každý kmitajúci bod tiež dosiahne maximum a bude smerovať do rovnovážnej polohy. Toto je popísané v podkapitolách 1.2.5 (vzťah (1.58)), 1.4.1 a tiež v 1.4.4 (pozri obr. 1.31) v jazyku potenciálových kriviek. Toto sa bude opakovať, kým sa celková mechanická energia systému nepremení na vnútornej energie(energia vibrácií častíc pevné telo) a nebude sa rozptýliť do okolitého priestoru (pripomeňme, že odporové sily sú disipatívne sily).

V uvažovanom pohybe teda dochádza k opakovaniu stavov a existujú sily (pružné sily), ktoré majú tendenciu vrátiť systém do rovnovážnej polohy. Preto bude pravítko oscilovať.

Ďalším známym príkladom je kmitanie kyvadla. Rovnovážna poloha kyvadla zodpovedá najnižšej polohe jeho ťažiska (v tejto polohe je potenciálna energia vplyvom gravitácie minimálna). Vo vychýlenej polohe bude na kyvadlo pôsobiť moment sily okolo osi otáčania, ktorý má tendenciu vrátiť kyvadlo do rovnovážnej polohy. V tomto prípade sú tiež všetky známky oscilačného pohybu. Je jasné, že pri absencii gravitácie (v stave beztiaže) nebudú splnené vyššie uvedené podmienky: v stave beztiaže neexistuje gravitácia a vratný moment tejto sily. A tu sa kyvadlo po stlačení bude pohybovať v kruhu, to znamená, že nebude oscilovať, ale bude sa otáčať.

Vibrácie môžu byť nielen mechanické. Môžeme teda hovoriť napríklad o kolísaní náboja na doskách kondenzátora zapojeného paralelne s induktorom (v oscilačnom obvode) alebo o sile elektrického poľa v kondenzátore. Ich zmena v čase je opísaná rovnicou podobnou tej, ktorá určuje mechanické posunutie z rovnovážnej polohy kyvadla. Vzhľadom na to, že tie isté rovnice môžu opísať fluktuácie najrozmanitejších fyzikálnych veličín, ukazuje sa ako veľmi vhodné zvážiť kolísanie bez ohľadu na to, ktorá fyzikálna veličina kolíše. Vzniká tak systém analógií, najmä elektromechanická analógia. Pre istotu zvážime mechanické vibrácie. Do úvahy prichádzajú iba periodické výkyvy, pri ktorých sa hodnoty fyzikálnych veličín meniace sa v procese fluktuácií opakujú v pravidelných intervaloch.

Recipročné obdobie T kmitov (ako aj čas jednej úplnej otáčky pri otáčaní), vyjadruje počet úplných kmitov za jednotku času a je tzv. frekvencia(je to len frekvencia, meria sa v hertzoch alebo s -1)

(s kmitmi rovnakým spôsobom ako pri rotačnom pohybe).

Uhlová rýchlosť súvisí s frekvenciou v zavedenou vzťahom (2.1) vzorcom

merané v rad/s alebo s-1.

Analýzu oscilačných procesov je prirodzené začať tými najviac jednoduché prípady oscilačné systémy s jedným stupňom voľnosti. Počet stupňov voľnosti je počet nezávislých premenných potrebných pre úplná definícia pozície v priestore všetkých častí daného systému. Ak sú napríklad kmity kyvadla (zaťaženie nite a pod.) obmedzené na rovinu, v ktorej sa kyvadlo môže pohybovať len a ak je závit kyvadla neroztiahnuteľný, potom stačí nastaviť iba jeden uhol odchýlky závitu od vertikály alebo iba veľkosť posunutia z rovnovážnej polohy - pre zaťaženie oscilujúce v jednom smere na pružine, aby sa úplne určila jeho poloha. V tomto prípade hovoríme, že uvažovaný systém má jeden stupeň voľnosti. To isté kyvadlo, ak môže zaujať akúkoľvek polohu na povrchu gule, na ktorej leží trajektória jeho pohybu, má dva stupne voľnosti. Možné sú aj trojrozmerné vibrácie, ako je to napríklad pri tepelných vibráciách atómov kryštálová mriežka(pozri pododdiel 10.3). Na analýzu procesu v reálnom fyzikálnom systéme volíme jeho model, pričom štúdium vopred obmedzíme na množstvo podmienok.

  • Ďalej bude perióda oscilácie označená rovnakým písmenom ako kinetická energia - T (nezamieňajte!).
  • V kapitole 4, Molekulárna fyzika, bude uvedená ďalšia definícia počtu stupňov voľnosti.

Preto štúdium týchto zákonitostí vykonáva zovšeobecnený teória kmitov a vĺn. Zásadný rozdiel od vĺn: pri vibráciách nedochádza k prenosu energie, sú to takpovediac „miestne“ premeny.

Klasifikácia

Výber odlišné typy oscilácií závisí od zdôraznených vlastností systémov s oscilačnými procesmi (oscilátory).

Podľa použitého matematického aparátu

Podľa frekvencie

Periodické oscilácie sú teda definované takto:

Periodické funkcie sa nazývajú, ako je známe, také funkcie f (t) (\displaystyle f(t)), pre ktorú môžete zadať určitú hodnotu τ (\displaystyle \tau ), takže f (t + τ) = f (t) (\displaystyle f(t+\tau)=f(t)) pri akýkoľvek hodnota argumentu t (\displaystyle t). Andronov a kol.

Podľa fyzickej povahy

Podľa povahy interakcie s prostredím

  • Nútené - kolísanie vyskytujúce sa v systéme pod vplyvom vonkajšieho periodického vplyvu. Príklady: listy na stromoch, zdvíhanie a spúšťanie ruky. Pri vynútených vibráciách môže dôjsť k javu rezonancia: prudký nárast amplitúdy kmitov pri koincidencii prirodzená frekvencia oscilátor a frekvencia vonkajších vplyvov.
  • Zadarmo (alebo vlastné)- sú to kmity v sústave pri pôsobení vnútorných síl po vyvedení sústavy z rovnováhy (v reálnych podmienkach sú voľné kmity vždy blednutiu). Najjednoduchším príkladom voľných vibrácií sú vibrácie bremena pripevneného k pružine alebo bremena zaveseného na závite.
  • Vlastné oscilácie - kolísanie, pri ktorom má systém rezervu potenciálna energia, vynaložené na vytváranie oscilácií (príkladom takéhoto systému je mechanické hodinky). Charakteristickým rozdielom medzi vlastnými osciláciami a vynútenými osciláciami je to, že ich amplitúda je určená vlastnosťami samotného systému a nie počiatočnými podmienkami.
  • Parametrický - kolísanie, ku ktorému dochádza pri zmene akéhokoľvek parametra oscilačného systému v dôsledku vonkajšieho vplyvu.

možnosti

Doba oscilácie T (\displaystyle T\,\ !} a frekvenciu f (\displaystyle f\,\ !}- vzájomné hodnoty;

T = 1 f (\displaystyle T=(\frac (1)(f))\qquad \,\ !} a f = 1 T (\displaystyle f=(\frac (1)(T))\,\ !}

V kruhových alebo cyklických procesoch sa namiesto „frekvenčnej“ charakteristiky používa koncept kruhový (cyklický) frekvencia ω (\displaystyle \omega \,\ !} (rád/s, Hz, s −1), ukazujúci počet kmitov za 2 π (\displaystyle 2\pi ) jednotky času:

ω = 2 π T = 2 π f (\displaystyle \omega =(\frac (2\pi )(T))=2\pi f\,\ !}
  • Zaujatosť- vychýlenie telesa z rovnovážnej polohy. Označenie X, Merná jednotka - meter.
  • Oscilačná fáza - určuje posunutie kedykoľvek, to znamená, že určuje stav oscilačného systému.

Krátky príbeh

Harmonické vibrácie sú známe už od 17. storočia.

Termín „relaxačné oscilácie“ navrhol v roku 1926 van der Pol. Zavedenie takéhoto termínu bolo odôvodnené len okolnosťou, že všetky takéto výkyvy sa špecifikovanému výskumníkovi zdali spojené s prítomnosťou „času relaxácie“ – teda s pojmom, ktorý sa v tom historickom momente vývoja vedy zdal byť najzrozumiteľnejšie a najrozšírenejšie. Kľúčovou vlastnosťou nového typu oscilácií opísaných mnohými vyššie uvedenými výskumníkmi bolo, že sa výrazne líšili od lineárnych, čo sa prejavilo predovšetkým ako odchýlka od známych Thomsonove vzorce. Starostlivý historický výskum ukázal, že van der Pol v roku 1926 si ešte nebol vedomý skutočnosti, že to, čo objavil fyzikálny jav„relaxačné oscilácie“ zodpovedá zavedené Poincaré matematický koncept limitný cyklus“ a pochopil to až po vydaní v roku 1929 A. A. Andronová.

Zahraniční vedci uznávajú skutočnosť, že medzi sovietsky vedci sa stali svetovo známymi študentmi L. I. Mandelstam, ktorý v roku 1937 vydal prvú knihu, v ktorej boli zhrnuté moderné informácie o lineárnych a nelineárnych osciláciách. Sovietski vedci však neprijal termín „relaxačné oscilácie“, ktorý navrhol van der Pol. Uprednostňovali používaný termín „diskontinuálne pohyby“. blondínka, najmä preto, že mal opísať tieto oscilácie z hľadiska pomalý a rýchly režim. Tento prístup sa stal zrelým iba v kontexte teórie singulárnej poruchy.» .

Stručný popis hlavných typov oscilačných systémov

Lineárne vibrácie

Dôležitým druhom kmitov sú harmonické kmity - kmity, ktoré sa vyskytujú podľa zákona sínus alebo kosínus. Ako je nainštalované v 1822 Fourier, akékoľvek periodické kmitanie môže byť reprezentované ako súčet harmonických kmitov rozšírením zodpovedajúcej funkcie do

Vibrácie sú jedným z najbežnejších procesov v prírode a technike.

Krídla hmyzu a vtákov kmitajú za letu, výškové budovy a vysokonapäťové drôty pôsobením vetra, kyvadla navinutých hodín a auta na pružinách pri pohybe, hladine rieky v priebehu roka a pod. teplota ľudského tela počas choroby.

Zvuk je kolísanie hustoty a tlaku vzduchu, rádiové vlny sú periodické zmeny v sile elektrických a magnetických polí, viditeľné svetlo- tiež elektromagnetické oscilácie, len s mierne odlišnou vlnovou dĺžkou a frekvenciou.

Zemetrasenia - vibrácie pôdy, príliv a odliv - zmeny hladiny morí a oceánov spôsobené príťažlivosťou Mesiaca a dosahujúce v niektorých oblastiach 18 metrov, pulzy - periodické kontrakcie ľudského srdcového svalu atď.

Zmena bdenia a spánku, práce a odpočinku, zimy a leta... Aj naše každodenné chodenie do práce a návrat domov spadá pod definíciu výkyvov, ktoré sú interpretované ako procesy, ktoré sa presne alebo približne opakujú v pravidelných intervaloch.

Vibrácie sú mechanické, elektromagnetické, chemické, termodynamické a rôzne iné. Napriek tejto rozmanitosti majú všetky veľa spoločného, ​​a preto sú opísané rovnakými rovnicami.

Voľné kmity sa nazývajú kmity, ku ktorým dochádza v dôsledku počiatočného prísunu energie do oscilujúceho telesa.

Aby sa teleso mohlo voľne kývať, musí byť uvedené z rovnováhy.

POTREBA VEDIEŤ

Štúdiom zákonitostí týchto javov sa zaoberá špeciálny odbor fyziky – teória kmitov. Musia ich poznať stavitelia lodí a lietadiel, priemyselní a dopravní špecialisti, tvorcovia rádiotechniky a akustických zariadení.

Prvými vedcami, ktorí študovali oscilácie, boli Galileo Galilei (1564...1642) a Christian Huygens (1629...1692). (Verí sa, že vzťah medzi dĺžkou kyvadla a časom každého švihu objavil Gallileo. Jedného dňa v kostole pozoroval, ako sa hojdá obrovský luster, a zaznamenával čas podľa pulzu. Neskôr zistil, že čas, za ktorý dôjde k jednému výkyvu, závisí od dĺžky kyvadla – čas sa skráti na polovicu, ak sa kyvadlo skráti o tri štvrtiny.).
Huygens vynašiel prvé kyvadlové hodiny (1657) a v druhom vydaní svojej monografie „Pendulum Clock“ (1673) skúmal množstvo problémov spojených s pohybom kyvadla, najmä našiel stred výkyvu fyzického kyvadla.

Veľký prínos k štúdiu oscilácií mali mnohí vedci: Angličania - W. Thomson (Lord Kelvin) a J. Rayleigh, Rusi - A.S. Popov a P.N. Lebedev a ďalší


Vektor gravitácie je znázornený červenou, reakčná sila modrou, odporová sila žltou a výsledná sila vínovou. Kyvadlo zastavíte stlačením tlačidla "Stop" v okne "Ovládanie" alebo kliknutím na tlačidlo myši v hlavnom okne programu. Ak chcete pokračovať v pohybe, zopakujte akciu.

Vyskytujú sa ďalšie oscilácie kyvadla závitu, ktoré sú vyvedené z rovnováhy
pri pôsobení výslednej sily, ktorá je súčtom dvoch vektorov: gravitácie
a elastické sily.
Výsledná sila sa v tomto prípade nazýva vratná sila.


FOUCAULTOVÉ KYVADLO V PARÍŽSKOM PANTÉÓNE

Čo dokázal Jean Foucault?

Foucaultovo kyvadlo sa používa na demonštráciu rotácie Zeme okolo svojej osi. Na dlhom kábli je zavesená ťažká guľa. Hojdá sa tam a späť cez okrúhlu platformu s delením.
Po určitom čase sa publiku začne zdať, že kyvadlo sa už kýva nad inými divíziami. Zdá sa, že kyvadlo sa otočilo, ale nie. Otočilo to so Zemou samotný kruh!

Pre každého je skutočnosť rotácie Zeme zrejmá, už len preto, že deň vystrieda noc, teda za 24 hodín dôjde k jednému úplnému otočeniu planéty okolo svojej osi. Rotáciu Zeme možno dokázať mnohými fyzikálnymi pokusmi. Najznámejším z nich bol experiment, ktorý uskutočnil Jean Bernard Léon Foucault v roku 1851 v parížskom Panteóne za prítomnosti cisára Napoleona. Pod kupolou budovy zavesil fyzik na oceľový drôt dlhý 67 m kovovú guľu s hmotnosťou 28 kg. Výrazná vlastnosť tohto kyvadla bolo, že sa mohlo voľne kývať do všetkých strán. Pod ním bol vyrobený plot s polomerom 6 m, vo vnútri ktorého bol nasypaný piesok, ktorého povrchu sa dotýkal hrot kyvadla. Po uvedení kyvadla do pohybu bolo zrejmé, že rovina hojdania sa vzhľadom na podlahu otáča v smere hodinových ručičiek. Vyplývalo to zo skutočnosti, že pri každom ďalšom švihu hrot kyvadla urobil značku o 3 mm ďalej ako predchádzajúci. Táto odchýlka vysvetľuje, prečo sa Zem otáča okolo svojej osi.

V roku 1887 bol princíp kyvadla demonštrovaný v Katedrále sv. Izáka v Petrohrade aj v nej. Hoci dnes už nie je vidieť, odteraz je uložený vo fonde múzea-pamiatkového fondu. Stalo sa tak s cieľom obnoviť pôvodnú vnútornú architektúru katedrály.


VYROBTE SAMI MODEL FOUCAULTOVHO KYVADLA


Otočte stoličku hore nohami a na konce jej nôh položte koľajnicu (diagonálne). A v jej strede zaveste malý náklad (napríklad maticu) alebo závit. Nechajte ho hojdať tak, aby rovina hojdania prechádzala medzi nohami stoličky. Teraz pomaly otáčajte stoličku okolo jej vertikálnej osi. Všimnete si, že kyvadlo sa kýva opačným smerom. V skutočnosti sa stále hojdá a zmena bola spôsobená samotným obratom stolice, ktorá v tomto experimente hrá rolu Zeme.


TORZNÉ KYVADLO

Toto je Maxwellovo kyvadlo, ktoré umožňuje odhaliť množstvo zaujímavých zákonitostí v pohybe tuhého telesa. Nite sú viazané na disk namontovaný na osi. Ak otočíte závit okolo osi, disk sa zdvihne. Teraz uvoľníme kyvadlo a začne vykonávať periodický pohyb: disk sa spustí, niť sa odvíja. Po dosiahnutí spodného bodu sa disk zotrvačnosťou naďalej otáča, ale teraz krúti závit a stúpa nahor.

Typicky sa torzné kyvadlo používa v mechanike náramkové hodinky. Vyvažovačka kolesa sa pôsobením pružiny otáča jedným alebo druhým smerom. Jeho rovnomerné pohyby zabezpečiť presnosť hodiniek.


VYROBTE SÁM KRÚTACIE KYVADLO


Z hrubého kartónu vystrihnite malý kruh s priemerom 6-8 cm, na jednu stranu kruhu nakreslite otvorený poznámkový blok a na druhú stranu číslo "5". Na oboch stranách kruhu urobte ihlou 4 otvory a vložte 2 silné nite. Zaistite ich tak, aby nevyskakovali uzlami. Ďalej už stačí len točiť kruhom 20 - 30 otáčok a ťahať nite do strán. V dôsledku rotácie uvidíte obrázok „5 v mojom zápisníku“.
pekne?


ortuťové srdce

Malá kvapka je kaluž ortuti, ktorej povrchu sa v strede dotýka železný drôt - ihla, naplnená slabým vodným roztokom kyseliny chlorovodíkovej, v ktorej je rozpustená soľ dvojchrómanu draselného .. ortuť v roztoku kyseliny chlorovodíkovej dostáva elektrický náboj a povrchové napätie na hranici kontaktných plôch klesá. Keď sa ihla dostane do kontaktu s povrchom ortuti, náboj sa zníži a následne sa zmení povrchové napätie. V tomto prípade kvapka získa viac sférický tvar. Horná časť kvapky sa plazí na ihlu a potom pôsobením gravitácie z nej zoskočí. Navonok tento jav vyvoláva dojem chvejúcej sa ortuti. Tento prvý impulz vyvolá vibrácie, kvapka sa rozkýve a „srdce“ začne pulzovať. Ortuťové „srdce“ nie je stroj na večný pohyb! V priebehu času sa dĺžka ihly zmenšuje a musí byť opäť v kontakte s povrchom ortuti.