Осцилиращо движение: определение и примери

В ежедневието си човек постоянно се сблъсква с проявите на осцилационно движение. Това е люлеенето на махалото на часовника, трептенето на пружините на автомобила и цялото превозно средство. Дори земетресението не е нищо повече от колебание на земната кора. Високите сгради се колебаят и при силни пориви на вятъра. Нека разберем как физиката обяснява това явление.

Махалото като осцилираща система

Махалото на стенния часовник е най-ясният пример за осцилиращ механизъм... Люлеенето на махалото от най-високата точка вляво до най-високата точка вдясно се нарича пълно люлеене. Периодът на един такъв пълен замах се нарича периметър. Честотата на трептене е броят на трептенията в секунда.

За изучаване на вибрациите се използва просто махало с нишка, което се прави, като малка метална топка се окачва на конец. Ако си представим, че топчето е материална точка, а струната е без маса, има абсолютна гъвкавост и няма триене, ще получим теоретично, т.нар. математическо махало.

Периодът на трептене на такова "идеално" махало може да се изчисли по формулата:

T = 2π √ l / g,

където l е дължината на махалото, g гравитационно ускорение.

От формулата става ясно, че периодът на трептене на махалото не зависи от неговата маса и не отчита ъгъла на отклонение от равновесното положение.

Трансформация на енергията

Какъв би бил механизмът на движение на махало, повтарящо се с определен период дори до безкрайност, ако нямаше триене и съпротивителна сила, за преодоляването на които е необходима определена работа?

Колебливото движение на махалото се основава на предадената енергия. В момента, в който отклоним махалото от вертикалното му положение, му придаваме потенциална енергия. При движението на махалото от горната точка до началното положение потенциалната енергия се превръща в кинетична. Скоростта на махалото ще бъде най-голяма, тъй като силата, която придава ускорение, намалява. Тъй като в началното си положение скоростта на махалото е най-голяма, то не спира, а продължава да се движи по инерция по дъга от окръжност до точно същата височина като при спускането. По този начин енергията при колебателно движение се превръща от потенциална в кинетична енергия.

Височината на издигане на махалото е равна на височината на падането му. Галилео стига до това заключение, като провежда експеримент с махало, наречено по-късно на негово име.

Колебанията на махалото са безспорен пример за закона за запазване на енергията. И те се наричат хармонични трептения.

Синус и фаза

Какво точно представлява хармоничното трептящо движение. За да се убедим в принципа на този вид движение, можем да проведем следния експеримент. Закачете фуния с пясък на напречна греда. Поставете лист хартия отдолу, който може да се движи перпендикулярно на вибрациите на фунията. Привеждаме фунията в движение и преместваме хартията.

Резултатът е вълнообразна линия, начертана в пясъка - синус. Такива трептения, които възникват по закона за синусоидата, се наричат синусоидални или хармонични. При тези колебания всяка величина, описваща движението, ще се променя според закона за синуса или косинуса.

Разглеждайки синусоидата, образувана върху картона, можем да забележим, че слоят пясък в различните ѝ части е с различна дебелина: в горната част или в коритото на синусоидата той е насипан най-плътно. Това показва, че в тези точки скоростта на махалото е била най-малка, или по-точно нулева, в точките, в които махалото е обърнало движението си.

Понятието за фаза играе огромна роля при изучаването на трептенията. В превод на руски думата означава "проявление". Във физиката фазата е специфичната фаза на някакъв периодичен процес, т.е. мястото на синусоидалната вълна, където се намира махалото в момента.

Вибрации на свобода

Ако на една трептяща система се даде движение и след това се спре от всички сили и енергии, трептенията на такава система ще се нарекат свободни. Колебанията на махалото, което е оставено само на себе си, постепенно ще започнат да затихват, а амплитудата ще намалява. Движението на махалото е не само променливо (по-бързо отдолу и по-бавно отгоре), но и неравномерно.

При хармоничните колебания силата, която дава ускорение на махалото, отслабва с намаляването на отклонението от точката на равновесие. Съществува пропорционална зависимост между силата и разстоянието на отклонение. Затова хармоничното трептене се определя като трептене, при което Ъгълът на отклонение от точката на равновесие не надвишава 10 градуса.

Принудително движение и резонанс

За практическите приложения в технологията вибрациите се предотвратяват от затихване чрез прилагане на външна сила към трептящата система. Ако осцилационното движение се извършва под въздействието на външна сила, то се нарича принудително движение. Честотата на принудителното трептене се определя от честотата на външната сила. Честотата на външната сила може да съвпада или да не съвпада с честотата на собствените колебания на махалото. При съвпадение амплитуда на вибрациите увеличаване на. Пример за такова увеличение е люлка, която се издига нагоре, ако по време на движението ѝ се придаде ускорение, бидейки в ритъма на собственото си движение.

Това явление се нарича резонанс във физиката и е много важно за практическите приложения. Например, когато настроите радиоприемник на правилната вълна, той влиза в резонанс със съответната радиостанция. Феноменът на резонанса има и отрицателни последици, като води до разрушаване на конструкции и мостове.

Самостоятелни системи

В допълнение към принудителните и свободните трептения има и самотрептения. Те се появяват с честотата на самата осцилираща система, когато към нея се прилага постоянна, а не променлива сила. Един пример за явлението на самоколебание е часовникът, при който колебаещата се тежест се спуска или развърта чрез развъртане на пружина. Когато се свири на цигулка, естествените вибрации на струните се съчетават със силата, упражнявана от лъка, и се получава специфичен тон.

Осцилиращите системи са многообразни и изучаването на процесите, които протичат в тях, в практически експерименти е интересно и поучително. Практическите приложения на осцилационното движение в ежедневието, науката и технологиите са разнообразни и незаменими: от люлеенето на люлки до създаването на ракетни двигатели.