Există diferite tipuri de oscilații în fizică, caracterizate de anumiți parametri. Luați în considerare diferențele lor principale, clasificarea în funcție de diferiți factori.
Definiții de bază
Sub fluctuație se înțelege un proces în care la intervale regulate principalele caracteristici ale mișcării au aceleași valori.
Oscilațiile periodice sunt acelea în care valorile mărimilor de bază se repetă la intervale regulate (perioada de oscilație).
Varietăți de procese oscilatorii
Să luăm în considerare principalele tipuri de oscilații care există în fizica fundamentală.
Vibrațiile libere sunt cele care apar într-un sistem care nu este supus unor influențe variabile externe după șocul inițial.
Un exemplu de oscilație liberă este un pendul matematic.
Acele tipuri de vibrații mecanice care apar în sistem sub acțiunea unei forțe variabile externe.
Caracteristici ale clasificării
După natura fizică, se disting următoarele tipuri de mișcări oscilatorii:
- mecanic;
- termic;
- electromagnetic;
- mixt.
Conform opțiunii de interacțiune cu mediul
Tipurile de fluctuații în interacțiunea cu mediul sunt împărțite în mai multe grupuri.
Oscilațiile forțate apar în sistem sub acțiunea unei acțiuni periodice externe. Ca exemple ale acestui tip de oscilație, putem lua în considerare mișcarea mâinilor, a frunzelor pe copaci.
Pentru oscilații armonice forțate poate apărea o rezonanță în care, cu valori egale ale frecvenței influenței externe și ale oscilatorului, cu o creștere bruscă a amplitudinii.
Vibrații proprii în sistem sub influența forțelor interne după ce acesta este scos din echilibru. Cea mai simplă variantă de vibrații libere este mișcarea unei sarcini care este suspendată de un fir sau atașată de un arc.
Auto-oscilațiile sunt tipuri în care sistemul are o anumită cantitate de energie potențială folosită pentru a face oscilații. Caracteristica lor distinctivă este faptul că amplitudinea este caracterizată de proprietățile sistemului în sine, și nu de condițiile inițiale.
Pentru fluctuații aleatorii, sarcina externă are o valoare aleatorie.
Parametrii de bază ai mișcărilor oscilatorii
Toate modurile de vibrație au anumite caracteristici care ar trebui menționate separat.
Amplitudinea este abaterea maximă de la poziția de echilibru, abaterea unei valori fluctuante, se măsoară în metri.
Perioada este timpul unui desfășurare completăcare repetă caracteristicile sistemului, se calculează în secunde.
Frecvența este determinată de numărul de oscilații pe unitatea de timp, este invers proporțională cu perioada de oscilație.
Faza de oscilație caracterizează starea sistemului.
Caracteristica oscilațiilor armonice
Astfel de tipuri de oscilații apar conform legii cosinusului sau sinusului. Fourier a reușit să stabilească că orice oscilație periodică poate fi reprezentată ca o sumă de modificări armonice prin extinderea unei anumite funcții într-o serie Fourier.
De exemplu, luați în considerare un pendul cu o anumită perioadă și o anumită frecvență ciclică.
Ce caracterizează aceste tipuri de fluctuații? Fizica consideră pendulul matematic ca fiind un sistem idealizat, care constă dintr-un punct material, care este suspendat pe un fir inextensibil fără greutate, oscilează sub influența gravitației.
Astfel de tipuri de vibrații au o anumită cantitate de energie, sunt comune în natură și tehnologie.
În cazul mișcării oscilatorii prelungite, coordonatele centrului său de masă se modifică, iar cu curent alternativ, valoarea curentului și a tensiunii din circuit se modifică.
Există diferite tipuri de oscilații armonice după natura fizică: electromagnetice, mecanice etc.
Tremurarea unui vehicul care se deplasează pe un drum accidentat acționează ca o oscilație forțată.
Principalele diferențe între forțat și gratuitfluctuații
Aceste tipuri de oscilații electromagnetice diferă în funcție de caracteristicile fizice. Prezența rezistenței medii și a forțelor de frecare duc la amortizarea oscilațiilor libere. În cazul oscilațiilor forțate, pierderile de energie sunt compensate de alimentarea suplimentară a acesteia dintr-o sursă externă.
Perioada pendulului cu arc raportează masa corpului și rigiditatea arcului. În cazul unui pendul matematic, depinde de lungimea firului.
Cu o perioadă cunoscută, puteți calcula frecvența naturală a sistemului oscilator.
În tehnologie și natură, există fluctuații cu valori de frecvență diferite. De exemplu, pendulul care oscilează în Catedrala Sfântul Isaac din Sankt Petersburg are o frecvență de 0,05 Hz, în timp ce pentru atomi este de câteva milioane de megaherți.
După o anumită perioadă de timp, se observă amortizarea oscilațiilor libere. De aceea, în practica reală se folosesc oscilații forțate. Sunt solicitate într-o varietate de mașini cu vibrații. Ciocanul vibrator este o mașină cu vibrații de șoc, concepută pentru a introduce țevi, piloți și alte structuri metalice în pământ.
Oscilații electromagnetice
Caracterizarea modurilor de oscilație presupune analiza parametrilor fizici principali: sarcină, tensiune, puterea curentului. Ca sistem elementar, care este folosit pentru a observa oscilațiile electromagnetice, este un circuit oscilator. Se formează prin conectarea în serie a unei bobine și a unui condensator.
Când circuitul este închis, eliberați electromagneticefluctuații asociate cu modificări periodice ale sarcinii electrice de pe condensator și curentului din bobină.
Sunt libere datorită faptului că atunci când sunt efectuate nu există nicio influență externă, ci se folosește doar energia stocată în circuitul propriu-zis.
Dacă considerăm că rezistența bobinei este zero și luăm perioada de oscilație ca T, putem considera o oscilație completă făcută de sistem.
În absența influenței externe, după o anumită perioadă de timp, se observă amortizarea oscilației electromagnetice. Motivul acestui fenomen va fi descărcarea treptată a condensatorului, precum și rezistența pe care o are de fapt bobina.
De aceea apar oscilații amortizate într-un circuit real. Reducerea sarcinii condensatorului duce la o scădere a valorii energiei în comparație cu valoarea sa inițială. Treptat, acesta va fi eliberat sub formă de căldură pe firele și bobina de conectare, condensatorul va fi complet descărcat și oscilația electromagnetică va fi finalizată.
Importanța fluctuațiilor în știință și tehnologie
Orice mișcări care au un anumit grad de repetare sunt oscilații. De exemplu, un pendul matematic este caracterizat printr-o abatere sistematică în ambele direcții de la poziția verticală inițială.
Pentru un pendul cu arc, o balansare completă corespunde mișcării sale în sus și în jos din poziția inițială.
Într-un circuit electric care are capacitate și inductanță, există o repetare a sarcinii peplăci de condensator. Care este cauza mișcărilor oscilatorii? Pendulul funcționează datorită faptului că gravitația îl face să revină la poziția inițială. În cazul unui model cu arc, o funcție similară este îndeplinită de forța elastică a arcului. Trecând de poziția de echilibru, sarcina are o anumită viteză, prin urmare, prin inerție, trece de starea medie.
Oscilațiile electrice pot fi explicate prin diferența de potențial care există între plăcile unui condensator încărcat. Chiar și atunci când este complet descărcat, curentul nu dispare, este reîncărcat.
Tehnologia modernă folosește fluctuații care diferă semnificativ în ceea ce privește natura, gradul de repetare, natura și, de asemenea, „mecanismul” aspectului.
Vibrațiile mecanice sunt făcute de șiruri de instrumente muzicale, valurile mării, un pendul. Fluctuațiile chimice asociate cu o modificare a concentrației reactanților sunt luate în considerare atunci când se desfășoară diferite interacțiuni.
Oscilațiile electromagnetice permit crearea diferitelor dispozitive tehnice, precum telefoane, dispozitive medicale cu ultrasunete.
Fluctuațiile de luminozitate ale cefeidelor prezintă un interes deosebit în astrofizică, iar oamenii de știință din diferite țări le studiază.
Concluzie
Toate tipurile de oscilații sunt strâns legate de un număr mare de procese tehnice și fenomene fizice. Importanța lor practică este mare în construcția de aeronave, construcția de nave, construcția de complexe rezidențiale, inginerie electrică, electronică radio, medicină și știință fundamentală. Un exemplu de proces oscilator tipic înfiziologia favorizează mişcarea muşchiului inimii. Vibrațiile mecanice se găsesc în chimia organică și anorganică, meteorologie și multe alte științe ale naturii.
Primele studii ale pendulului matematic au fost efectuate în secolul al XVII-lea, iar până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au reușit să stabilească natura oscilațiilor electromagnetice. Omul de știință rus Alexander Popov, care este considerat „părintele” comunicațiilor radio, și-a condus experimentele tocmai pe baza teoriei oscilațiilor electromagnetice, a rezultatelor cercetărilor lui Thomson, Huygens și Rayleigh. A reușit să găsească o aplicație practică pentru oscilațiile electromagnetice, să le folosească pentru a transmite un semnal radio pe distanțe lungi.
Academicianul P. N. Lebedev a condus timp de mulți ani experimente legate de producerea de oscilații electromagnetice de în altă frecvență folosind câmpuri electrice alternative. Datorită numeroaselor experimente legate de diferite tipuri de vibrații, oamenii de știință au reușit să găsească zone pentru utilizarea lor optimă în știința și tehnologia modernă.
