În viața de zi cu zi, o persoană întâmpină în mod constant manifestări ale mișcării oscilatorii. Aceasta este oscilația pendulului în ceas, vibrațiile arcurilor auto și întreaga mașină. Chiar și un cutremur nu este altceva decât vibrații ale scoarței terestre. Clădirile în alte se leagănă și de la rafale puternice de vânt. Să încercăm să ne dăm seama cum explică fizica acest fenomen.
Pendul ca sistem oscilator
Cel mai evident exemplu de mișcare oscilativă este pendulul ceasului de perete. Trecerea pendulului din punctul cel mai în alt din stânga către punctul cel mai în alt din dreapta se numește desfășurarea sa completă. Perioada unei astfel de oscilații complete se numește perimetru. Frecvența de oscilație este numărul de oscilații pe secundă.
Pentru a studia oscilațiile se folosește un pendul cu fir simplu, care se realizează prin agățarea unei bile de metal pe un fir. Dacă ne imaginăm că bila este un punct material, iar firul nu are masă la absolutflexibilitate și lipsă de frecare, obțineți un pendul teoretic, așa-numitul matematic.
Perioada de oscilație a unui astfel de pendul „ideal” poate fi calculată folosind formula:
T=2π √ l / g, unde l este lungimea pendulului, g este accelerația de cădere liberă.
Formula arată că perioada de oscilație a pendulului nu depinde de masa acestuia și nu ține cont de unghiul de abatere de la poziția de echilibru.
Transformarea energiei
Care este mecanismul mișcărilor pendulului, care se repetă cu o anumită perioadă chiar la infinit, dacă nu existau forțe de frecare și rezistență, pentru a depăși care este nevoie de un anumit lucru?
Pendulul începe să oscileze datorită energiei care îi este transmisă. În momentul în care pendulul este îndepărtat din poziția verticală, îi dăm o anumită cantitate de energie potențială. Când pendulul se mișcă din punctul său de sus în poziția inițială, energia potențială este transformată în energie cinetică. În acest caz, viteza pendulului va deveni cea mai mare, deoarece forța care transmite accelerația scade. Datorită faptului că în poziția inițială viteza pendulului este cea mai mare, acesta nu se oprește, ci prin inerție se deplasează mai departe de-a lungul arcului de cerc până la exact aceeași înălțime cu cea din care a coborât. Acesta este modul în care energia este convertită în timpul mișcării oscilatorii de la potențial la cinetic.
Înălțimea pendulului este egală cu înălțimea coborârii acestuia. Galileo a ajuns la această concluzie în timp ce efectua un experiment cu un pendul, numit ulterior după el.
Swing-ul unui pendul este un exemplu incontestabil al legii conservării energiei. Și se numesc vibrații armonice.
Undă sinusoidală și faza
Ce este o mișcare oscilativă armonică. Pentru a vedea principiul unei astfel de mișcări, puteți efectua următorul experiment. Atârnăm o pâlnie cu nisip pe bara transversală. Sub ea punem o coală de hârtie, care poate fi deplasată perpendicular pe fluctuațiile pâlniei. După ce am pus pâlnia în mișcare, deplasăm hârtia.
Rezultatul este o linie ondulată scrisă în nisip - o sinusoidă. Aceste oscilații, care au loc în conformitate cu legea sinusului, se numesc sinusoidale sau armonice. Cu astfel de fluctuații, orice mărime care caracterizează mișcarea se va modifica conform legii sinusului sau cosinusului.
După ce am examinat sinusoidul format pe carton, se poate observa că nisipul este un strat de nisip în diferitele sale secțiuni de grosimi diferite: în vârful sau jgheabul sinusoidei, acesta a fost cel mai dens îngrămădit. Acest lucru sugerează că în aceste puncte viteza pendulului a fost cea mai mică, sau mai degrabă zero, în acele puncte în care pendulul și-a inversat mișcarea.
Conceptul de fază joacă un rol imens în studiul oscilațiilor. Tradus în rusă, acest cuvânt înseamnă „manifestare”. În fizică, o fază este o etapă specifică a unui proces periodic, adică locul de pe sinusoid unde se află în prezent pendulul.
Ezitări în libertate
Dacă sistemului oscilator i se dă mișcare și apoi se opreșteinfluența oricăror forțe și energii, atunci oscilațiile unui astfel de sistem vor fi numite libere. Oscilațiile pendulului, care este lăsat singur, vor începe treptat să se estompeze, amplitudinea va scădea. Mișcarea pendulului nu este doar variabilă (mai rapidă în partea de jos și mai lentă în partea de sus), dar și nu este uniform variabilă.
În oscilațiile armonice, forța care dă accelerația pendulului devine mai slabă odată cu scăderea cantității de abatere de la punctul de echilibru. Există o relație proporțională între forță și distanța de deviere. Prin urmare, astfel de vibrații sunt numite armonice, în care unghiul de abatere de la punctul de echilibru nu depășește zece grade.
Mișcare forțată și rezonanță
Pentru aplicarea practică în inginerie, vibrațiile nu au voie să se degradeze, conferind o forță externă sistemului oscilant. Dacă mișcarea oscilativă are loc sub influență externă, se numește forțată. Oscilațiile forțate apar cu frecvența pe care o stabilește o influență externă. Frecvența forței externe care acționează poate coincide sau nu cu frecvența oscilațiilor naturale ale pendulului. Când coincid, amplitudinea oscilațiilor crește. Un exemplu de astfel de creștere este un leagăn care decolează mai sus dacă, în timpul mișcării, le dai accelerație, lovind ritmul propriei mișcări.
Acest fenomen în fizică se numește rezonanță și este de mare importanță pentru aplicațiile practice. De exemplu, atunci când acordați un receptor radio la unda dorită, acesta este adus în rezonanță cu postul de radio corespunzător. Fenomenul de rezonanță are și consecințe negative,ducând la distrugerea clădirilor și a podurilor.
Sisteme autonome
Pe lângă vibrațiile forțate și libere, există și auto-oscilații. Ele apar cu frecvența sistemului oscilant în sine atunci când este expus la o forță constantă mai degrabă decât la o forță variabilă. Un exemplu de auto-oscilații este un ceas, mișcarea pendulului în care este asigurată și menținută prin derularea arcului sau coborârea sarcinii. Când cântați la vioară, vibrațiile naturale ale coardelor coincid cu forța care decurge din influența arcului și apare un sunet de o anumită tonalitate.
Sistemele oscilatorii sunt diverse, iar studiul proceselor care au loc în ele în experimente practice este interesant și informativ. Aplicarea practică a mișcării oscilatorii în viața de zi cu zi, știința și tehnologia este variată și indispensabilă: de la leagăne până la producția de motoare rachete.
