Vrste nihanj v fiziki in njihove značilnosti

Obstajajo različne vrste oscilacij v fiziki, za katere so značilni določeni parametri. Razmislimo o njihovih glavnih razlikah, razvrstitvi po različnih dejavnikih.

Osnovne definicije

Z nihanjem je mišljen proces, v katerem imajo v rednih intervalih osnovne značilnosti gibanja enake vrednosti.

Periodično se imenujejo takšne nihanja, pri katerih se vrednosti osnovnih količin ponovijo v istih časovnih intervalih (čas oscilacije).

Vrste oscilatornih procesov

Razmislimo o glavnih tipih nihanj, ki obstajajo v osnovni fiziki.

Proste vibracije se imenujejo nihanja, ki se pojavijo v sistemu, ki po začetnem šoku ne vpliva na zunanje spremenljive vplive.

Primer prostih nihanj je matematično nihalo.

Te vrste mehanskih nihanj, ki se pojavijo v sistemu pod vplivom zunanje spremenljive sile.

Klasifikacijske lastnosti

Naslednje vrste oscilacijskih gibanj se razlikujejo po fizični naravi:

• mehansko;
• toplotna;
• elektromagnetni;
• mešani.

Glede na različico interakcije z okoljem

Vrste vibracij v interakciji z okoljem razlikujejo več skupin.

Prisilna nihanja se pojavijo v sistemu pod vplivom zunanjega periodičnega delovanja. Kot primer takšne vrste vibracij lahko premislimo o premikanju roke in o drevesih.

Pri prisilnih harmoničnih nihanjih se lahko pojavi resonanca, pri kateri za enake vrednosti frekvence zunanjega delovanja in oscilatorja z močnim povečanjem amplitude.

Lastne nihanje v sistemu pod vplivom notranjih sil, potem ko je odstranjeno iz ravnovesnega stanja. Najenostavnejša različica prostih nihanj je premikanje tovora, ki je obešeno na navoj ali pritrjeno na vzmet.

Samovenzelacija se nanaša na vrste, pod katerimi ima sistem določeno rezervo potencialne energije, kar pomeni, da bi se nihale. Njihova posebnost je dejstvo, da amplitudo zaznamujejo lastnosti samega sistema in ne prvotnih pogojev.

Pri naključnih nihanjih ima zunanja obremenitev naključno vrednost.

Osnovni parametri oscilacijskih gibanj

Vse vrste nihanj imajo določene značilnosti, ki jih je treba posebej omeniti.

Amplituda je največji odmik od ravnovesnega položaja, odstopanje nihajoče količine, merjeno v metrih.

Obdobje je čas ene popolne nihanja, skozi katero se ponavljajo znacilnosti sistema, se izracuna v nekaj sekundah.

Pogostost je določena s številom nihanj na enoto časa, je obratno sorazmerna obdobju oscilacij.

Faza oscilacije označuje stanje sistema.

Značilnost harmoničnih nihanj

Te vrste nihanj se pojavljajo v skladu s pravom kosinusa ali sinusa. Fourierju je uspelo ugotoviti, da je vsako občasno nihanje lahko predstavljeno kot vsota harmonskih sprememb s širitvijo določene funkcije v Fourierjev niz.

Kot primer lahko upoštevamo nihalo z določenim časom in ciklično frekvenco.

Kakšne so značilnosti takšnih nihanj? Fizika meni matematično nihalo Idealiziran sistem, ki je sestavljen iz materialne točke, ki je suspendirana na težek neenakomeren navoj, niha pod vplivom gravitacije.

Te vrste nihanj imajo določeno količino energije, so običajne v naravi in ​​tehnologiji.

Pri neprekinjenem oscilacijskem gibanju se spremeni koordinata njegovega središča mase in pri izmeničnem toku spremeni vrednost toka in napetosti v krogu.

Določite različne vrste harmoničnih nihanj v fizični obliki: elektromagnetni, mehanični itd.

Kot prisilna nihanja se pojavi tresenje vozila, ki se premika po neenakomerni cesti.

Glavne razlike med prisilnim in svobodnim nihanjem

Te vrste elektromagnetnih nihanj se razlikujejo po fizičnih značilnostih. Prisotnost upornosti medija in sila trenja privede do zmanjšanja prostih nihanj. V primeru prisilnih nihanj se izgube energije kompenzirajo z dodatnim vnosom iz zunanjega vira.

Obdobje spomladanskega nihala veže telesno maso in togost vzmetenja. V primeru matematičnega nihala je odvisno od dolžine žarilne nitke.

Za znano obdobje lahko izračunamo naravno frekvenco oscilacijskega sistema.

V tehnologiji in naravi obstajajo nihanja z različnimi frekvencami. Na primer, nihalo, ki niha v katedrali sv. Isaaka v St. Petersburgu, ima frekvenco 0,05 Hz, pri atomih pa več milijonov megahertov.

Po določenem času opazimo dušenje prostih nihanj. Zato se v realni praksi uporabljajo prisilne nihanja. Zahtevajo jih v različnih vibracijskih napravah. Vibro-kladivo je vibracijski stroj, ki je namenjen za vodenje cevi, pilotov in drugih kovinskih struktur v tla.

Elektromagnetna oscilacija

Karakterizacija načinov nihanja vključuje analizo osnovnih fizikalnih parametrov: polnjenje, napetost, amperažo. Kot osnovni sistem, ki se uporablja za opazovanje elektromagnetnih nihanj, je oscilacijski tokokrog. Nastaja s serijsko povezavo tuljave in kondenzatorja.

Ko je vezje zaprto, v njej nastanejo brezplačna elektromagnetna nihanja, povezana s periodičnimi spremembami električnega naboja na kondenzatorju in tokom v tuljavi.

So brezplačni zaradi dejstva, da kadar so storjeni, ni zunanjih vplivov, porabljena pa je samo energija, ki je shranjena v samem vezju.

Če predpostavimo, da je odpornost tuljave enaka nič in da je čas oscilacije T, lahko upoštevamo eno popolno nihanje, ki ga naredi sistem.

V odsotnosti zunanjih vplivov po določenem času opazimo dušenje elektromagnetnega nihanja. Razlog za ta pojav je postopno odvajanje kondenzatorja, pa tudi upor, ki ga tuljava dejansko ima.

Zato se v realnem vezju pojavijo oslabljena nihanja. Zmanjšanje polnjenja na kondenzatorju povzroči zmanjšanje energetske vrednosti v primerjavi s prvotno vrednostjo. Postopoma se bo ločil v obliki toplote na povezovalnih žicah in tuljavi, kondenzator bo popolnoma izpraznjen, elektromagnetna oscilacija pa se bo končala.

Pomen nihanj v znanosti in tehnologiji

Vsako gibanje, ki ima določeno stopnjo ponovitve, so nihanja. Na primer, za matematično nihalo je značilno sistematično odstopanje na obeh straneh izvirnega navpičnega položaja.

Za vzmetno nihalo eno popolno nihanje ustreza njenemu gibanju navzgor in navzdol od začetnega položaja.

V električnem vezju, ki ima kapacitivnost in induktivnost, na kondenzatorskih ploščah opazimo napetost. Kaj je vzrok vibracijskega gibanja? Nihalo deluje, ker gravitacija prisili, da se vrne v prvotni položaj. V primeru vzmetnega modela podobno silo deluje elastična sila vzmeti. Položaj ravnovesja ima obremenitev določeno hitrost, zato se po vztrajnosti premakne mimo povprečnega stanja.

Električna nihanja se lahko razložijo s potencialno razliko, ki obstaja med ploščami napolnjenega kondenzatorja. Tudi s polnim praznjenjem tok ne izgine in polnjenje se polni.

V sodobni tehnologiji se uporabljajo oscilacije, ki se bistveno razlikujejo po naravi, stopnji ponovitve, značaju in tudi "mehanizmu" videza.

Mehanske vibracije sestavljajo strune glasbenih instrumentov, morske valove, nihalo. Pri izvajanju različnih interakcij se upoštevajo kemična nihanja, povezana s spremembo koncentracije snovi, ki se pojavljajo v reakciji.

Elektromagnetne oscilacije omogočajo oblikovanje različnih tehničnih naprav, na primer telefona, ultrazvočnih medicinskih naprav.

Fluktuacije v svetlosti cepheidov so še posebej zanimive za astrofiziko, znanstveniki iz različnih držav pa se ukvarjajo s študijem.

Zaključek

Vse vrste oscilacij so tesno povezane s številnimi tehničnimi procesi in fizičnimi pojavi. Odličen je njihov praktični pomen pri gradnji letal, izgradnji ladij, gradnji stanovanjskih kompleksov, elektrotehniki, radijski elektroniki, medicini in osnovni znanosti. Primer tipičnega oscilacijskega procesa v fiziologiji je gibanje srčne mišice. Mehanske oscilacije najdemo v organski in anorganski kemiji, meteorologiji, pa tudi v mnogih drugih naravoslovnih znanostih.

Prve študije matematičnega nihala so bile izvedene v sedemnajstem stoletju, znanstveniki pa so lahko do konca devetnajstega stoletja ugotovili naravo elektromagnetnih nihanj. Ruski znanstvenik Aleksander Popov, ki se šteje za "očeta" radijske komunikacije, je svoje poskuse opravil natančno na podlagi teorije elektromagnetnih nihanj, rezultatov preiskav Thomsona, Huygensa in Rayleigha. Uspelo mu je najti praktično uporabo elektromagnetnih oscilacij, ki jih uporabljajo za prenos radijskega signala na dolge razdalje.

Akademik PN Lebedev že vrsto let izvaja eksperimente, ki se nanašajo na pridobivanje elektromagnetnih oscilacij visoke frekvence s pomočjo različnih električnih polj. Zahvaljujoč številnim eksperimentom, povezanim z različnimi vrstami nihanj, so znanstveniki uspeli najti področja njihove optimalne uporabe v sodobni znanosti in tehnologiji.