A mindennapi életben az ember folyamatosan találkozik az oszcilláló mozgás megnyilvánulásaival. Ez az inga kilengése az órában, az autórugók rezgései és az egész autó. Még a földrengés is nem más, mint a földkéreg rezgései. A sokemeletes épületek is inognak az erős széllökésektől. Próbáljuk meg kitalálni, hogy a fizika hogyan magyarázza ezt a jelenséget.
Az inga mint oszcillációs rendszer
Az oszcilláló mozgás legnyilvánvalóbb példája a falióra inga. Az inga áthaladását a bal oldali legmagasabb ponttól a jobb oldali legmagasabb pontig teljes lendületnek nevezzük. Egy ilyen teljes oszcilláció periódusát kerületnek nevezzük. Az oszcillációs frekvencia a másodpercenkénti rezgések száma.
A rezgések tanulmányozására egy egyszerű menetes ingát használnak, amelyet úgy készítenek, hogy egy kis fémgolyót akasztanak egy cérnára. Ha elképzeljük, hogy a golyó egy anyagi pont, és a fonalnak nincs abszolút tömegerugalmasság és a súrlódás hiánya, akkor elméleti, úgynevezett matematikai ingát kapsz.
Egy ilyen "ideális" inga lengési periódusa a következő képlettel számítható ki:
T=2π √ l / g, ahol l az inga hossza, g a szabadesési gyorsulás.
A képlet azt mutatja, hogy az inga lengési periódusa nem függ a tömegétől, és nem veszi figyelembe az egyensúlyi helyzettől való eltérés szögét.
Energiaátalakítás
Mi a mechanizmusa a bizonyos periódussal akár a végtelenségig ismétlődő ingamozgásoknak, ha nem lennének súrlódási és ellenállási erők, amelyek leküzdéséhez bizonyos munka szükséges?
Az inga oszcillálni kezd a rá adott energia miatt. Abban a pillanatban, amikor az inga kikerül a függőleges helyzetből, bizonyos mennyiségű potenciális energiát adunk neki. Amikor az inga a felső pontjából a kiindulási helyzetébe mozog, a potenciális energia mozgási energiává alakul. Ebben az esetben az inga sebessége lesz a legnagyobb, mivel a gyorsulást kölcsönző erő csökken. Tekintettel arra, hogy a kiindulási helyzetben az inga sebessége a legnagyobb, nem áll meg, hanem tehetetlenség hatására egy körív mentén halad tovább, pontosan ugyanarra a magasságra, mint ahonnan leszállt. Így alakul át az energia az oszcilláló mozgás során potenciálból kinetikussá.
Az inga magassága megegyezik leengedésének magasságával. Galilei erre a következtetésre jutott, amikor egy ingával végzett kísérletet, amelyet később róla neveztek el.
Az inga kilengése az energiamegmaradás törvényének vitathatatlan példája. És ezeket harmonikus rezgéseknek hívják.
Szinuszhullám és fázis
Mi az a harmonikus rezgőmozgás. Az ilyen mozgás elvének megismeréséhez végezze el a következő kísérletet. A keresztrúdra akasztunk egy tölcsért homokkal. Alatta teszünk egy papírlapot, amit a tölcsér ingadozására merőlegesen el lehet tolni. Miután mozgásba hoztuk a tölcsért, eltoljuk a papírt.
Az eredmény egy homokba írt hullámos vonal – egy szinusz. Ezeket a szinusz törvényének megfelelően fellépő rezgéseket szinuszosnak vagy harmonikusnak nevezzük. Ilyen ingadozások esetén a mozgást jellemző bármely mennyiség a szinusz vagy koszinusz törvénye szerint változik.
A kartonon képződött szinuszot megvizsgálva megállapítható, hogy a homok homokréteg a különböző vastagságú szakaszaiban: a szinusz tetején vagy vályújában volt a legsűrűbben felhalmozva. Ez arra utal, hogy ezeken a pontokon volt az inga sebessége a legkisebb, vagy inkább nulla azokban a pontokban, ahol az inga megfordította a mozgását.
A fázis fogalma óriási szerepet játszik az oszcillációk tanulmányozásában. Oroszra fordítva ez a szó "megnyilvánulást" jelent. A fizikában a fázis egy periodikus folyamat egy meghatározott szakasza, vagyis az a hely a szinuszoidon, ahol az inga pillanatnyilag található.
Habozások szabadon
Ha az oszcillációs rendszer mozgást kap, majd leállítjabármilyen erő és energia befolyása, akkor egy ilyen rendszer rezgéseit szabadnak nevezzük. A magára hagyott inga oszcillációi fokozatosan halványulni kezdenek, az amplitúdó csökken. Az inga mozgása nemcsak változó (alul gyorsabb, felül lassabb), de nem is egyenletesen változó.
A harmonikus rezgéseknél az ingagyorsulást adó erő az egyensúlyi ponttól való eltérés mértékének csökkenésével gyengébb lesz. Az erő és az elhajlási távolság között arányos kapcsolat van. Ezért azokat a rezgéseket harmonikusnak nevezzük, amelyeknél az egyensúlyi ponttól való eltérés szöge nem haladja meg a tíz fokot.
Kényszermozgás és rezonancia
A mérnöki gyakorlatban történő alkalmazás érdekében a rezgések nem csillapodhatnak, külső erőt kölcsönözve az oszcilláló rendszernek. Ha az oszcilláló mozgás külső hatás hatására következik be, azt kényszerítettnek nevezzük. Az erőltetett rezgések olyan gyakorisággal fordulnak elő, ahogyan egy külső hatás beállítja őket. A ható külső erő frekvenciája egybeeshet vagy nem az inga természetes rezgésének frekvenciájával. Egybeesés esetén az oszcillációk amplitúdója nő. Példa az ilyen növekedésre egy lendítés, amely magasabbra indul, ha mozgás közben gyorsulást adsz nekik, eltalálva a saját mozgásuk ütemét.
Ezt a jelenséget a fizikában rezonanciának nevezik, és nagy jelentősége van a gyakorlati alkalmazásokban. Például amikor egy rádióvevőt a kívánt hullámra hangol, az rezonanciába kerül a megfelelő rádióállomással. A rezonancia jelenségének negatív következményei is vannak,épületek és hidak pusztulásához vezet.
Önellátó rendszerek
A kényszerített és szabad rezgések mellett vannak önrezgések is. Magának az oszcilláló rendszernek a frekvenciájával fordulnak elő, amikor állandó, nem pedig változó erőhatásnak vannak kitéve. Az önrezgések példája az óra, amelyben az inga mozgását a rugó letekerésével vagy a terhelés csökkentésével biztosítják és tartják fenn. Hegedűzéskor a húrok természetes rezgései egybeesnek az íj hatására fellépő erővel, és egy bizonyos tonalitású hangzás jelenik meg.
Az oszcillációs rendszerek sokfélék, a bennük lezajló folyamatok gyakorlati kísérletekben történő tanulmányozása érdekes és informatív. Az oszcilláló mozgás gyakorlati alkalmazása a mindennapi életben, a tudományban és a technikában sokrétű és nélkülözhetetlen: a lengéstől a rakétahajtóművek gyártásáig.
