A fizikában különböző típusú oszcillációk léteznek, amelyeket bizonyos paraméterek jellemeznek. Fontolja meg főbb különbségeiket, a különböző tényezők szerinti osztályozást.
Alapvető definíciók
A fluktuáció alatt olyan folyamatot értünk, amelyben szabályos időközönként a mozgás fő jellemzői azonos értékekkel rendelkeznek.
A periódusos rezgések azok, amelyekben az alapmennyiségek értékei szabályos időközönként ismétlődnek (oszcillációs periódus).
Az oszcillációs folyamatok különböző változatai
Nézzük meg az alapvető fizikában előforduló főbb rezgéstípusokat.
A szabad rezgések azok, amelyek olyan rendszerben lépnek fel, amely nincs kitéve külső változó hatásoknak a kezdeti ütés után.
A szabad oszcilláció egy példája a matematikai inga.
Azok a mechanikai rezgések, amelyek a rendszerben külső változó erő hatására lépnek fel.
Az osztályozás jellemzői
Fizikai természeténél fogva a következő típusú oszcillációs mozgásokat különböztetjük meg:
- mechanikus;
- termikus;
- elektromágneses;
- vegyes.
A környezettel való interakció lehetőségének megfelelően
A környezettel való kölcsönhatásban előforduló fluktuációk típusai több csoportra oszthatók.
Kényszer rezgések jelennek meg a rendszerben külső periodikus hatás hatására. Példának tekinthetjük a kezek, levelek mozgását a fákon.
Kényszerített harmonikus rezgéseknél rezonancia jelenhet meg, amelyben a külső hatás és az oszcillátor frekvenciájának egyenlő értékeivel, éles amplitúdónövekedéssel.
Saját rezgések a rendszerben belső erők hatására, miután az egyensúlyi helyzetből kikerült. A szabad rezgések legegyszerűbb változata egy menetre felfüggesztett vagy rugóra rögzített teher mozgása.
Az önrezgések olyan típusok, amelyekben a rendszer bizonyos mennyiségű potenciális energiával rendelkezik, amelyet rezgések létrehozására használnak fel. Megkülönböztető jellemzőjük az a tény, hogy az amplitúdót magának a rendszernek a tulajdonságai, nem pedig a kezdeti feltételek jellemzik.
Véletlenszerű ingadozások esetén a külső terhelésnek véletlenszerű értéke van.
A rezgőmozgások alapvető paraméterei
Minden rezgésmód rendelkezik bizonyos jellemzőkkel, amelyeket külön kell megemlíteni.
Az amplitúdó az egyensúlyi helyzettől való maximális eltérés, egy ingadozó érték eltérése, méterben mérjük.
Az időszak egy teljes lendület idejeamely megismétli a rendszer jellemzőit, a kiszámítása másodpercben történik.
A frekvenciát az időegységenkénti rezgések száma határozza meg, fordítottan arányos az oszcilláció periódusával.
Az oszcillációs fázis jellemzi a rendszer állapotát.
A harmonikus rezgések jellemzője
Az ilyen típusú rezgések a koszinusz vagy a szinusz törvénye szerint fordulnak elő. Fourier-nak sikerült megállapítania, hogy egy bizonyos függvény Fourier-sorrá bővítésével bármely periodikus rezgést fel lehet tüntetni a harmonikus változások összegeként.
Példaként vegyünk egy bizonyos periódusú és ciklikus frekvenciájú ingát.
Mi jellemzi az ilyen típusú ingadozásokat? A fizika a matematikai ingát idealizált rendszernek tekinti, amely egy anyagi pontból áll, amely egy súlytalan, nyújthatatlan szálon van felfüggesztve, és a gravitáció hatására rezeg.
Az ilyen típusú rezgések bizonyos mennyiségű energiával rendelkeznek, gyakoriak a természetben és a technikában.
Hosszú oszcilláló mozgás esetén tömegközéppontjának koordinátája megváltozik, váltakozó áram esetén pedig az áramkörben az áram és a feszültség értéke változik.
Fizikai természetüknél fogva különböző típusú harmonikus rezgések léteznek: elektromágneses, mechanikus stb.
Az egyenetlen úton haladó jármű rázkódása kényszeringadozásként működik.
A kényszerített és az ingyenes közötti fő különbségekingadozások
Az elektromágneses rezgések ezen típusai fizikai jellemzőikben különböznek. A közepes ellenállás és a súrlódási erők jelenléte a szabad rezgések csillapításához vezet. Kényszerrezgések esetén az energiaveszteséget annak külső forrásból történő kiegészítő ellátása kompenzálja.
A rugóinga periódusa a test tömegéhez és a rugó merevségéhez kapcsolódik. Matematikai inga esetén a menet hosszától függ.
Ismert periódussal kiszámolhatja az oszcillációs rendszer sajátfrekvenciáját.
A technológiában és a természetben különböző frekvenciaértékű ingadozások vannak. Például a szentpétervári Szent Izsák-székesegyházban lengő inga frekvenciája 0,05 Hz, míg az atomok esetében ez több millió megahertz.
Egy bizonyos idő elteltével a szabad rezgések csillapítása figyelhető meg. Ezért alkalmazzák a kényszerrezgéseket a gyakorlatban. Különféle vibrációs gépekben keresettek. A vibrációs kalapács egy lökés-vibrációs gép, amelyet csövek, cölöpök és egyéb fémszerkezetek talajba húzására terveztek.
Elektromágneses oszcillációk
A rezgésmódok jellemzése magában foglalja a főbb fizikai paraméterek elemzését: töltés, feszültség, áramerősség. Elemi rendszerként, amelyet elektromágneses rezgések megfigyelésére használnak, egy oszcillációs áramkör. Egy tekercs és egy kondenzátor sorba kapcsolásával jön létre.
Ha az áramkör zárt, szabad elektromágnesesa kondenzátor elektromos töltésének és a tekercs áramának időszakos változásaihoz kapcsolódó ingadozások.
Ezek azért szabadok, mert végrehajtásukkor nincs külső hatás, hanem csak magában az áramkörben tárolt energia kerül felhasználásra.
Ha a tekercs ellenállását nullának tekintjük, és az oszcilláció periódusát T-nek vesszük, akkor a rendszer egy teljes oszcillációját tekinthetjük.
Külső hatás hiányában egy bizonyos idő elteltével az elektromágneses oszcilláció csillapítása figyelhető meg. Ennek a jelenségnek az oka a kondenzátor fokozatos kisülése, valamint a tekercs tényleges ellenállása.
Ezért fordulnak elő csillapított oszcillációk egy valós áramkörben. A kondenzátor töltésének csökkentése az energiaérték csökkenéséhez vezet az eredeti értékhez képest. Fokozatosan hőként szabadul fel a csatlakozó vezetékeken és a tekercsen, a kondenzátor teljesen lemerül, és az elektromágneses rezgés befejeződik.
A tudomány és technológia fluktuációinak jelentősége
Minden mozdulat, amelynek van bizonyos fokú ismétlődése, oszcilláció. Például egy matematikai ingát az eredeti függőleges helyzettől való szisztematikus eltérés mindkét irányban jellemez.
Rugós inga esetében egy teljes lendítés megfelel a kiindulási helyzetből felfelé és lefelé történő mozgásnak.
Kapacitív és induktivitású elektromos áramkörben ismétlődő töltés történikkondenzátor lemezek. Mi az oka az oszcilláló mozgásoknak? Az inga működése annak köszönhető, hogy a gravitáció hatására visszatér eredeti helyzetébe. Rugós modell esetén hasonló funkciót lát el a rugó rugalmas ereje. Az egyensúlyi helyzeten áthaladva a terhelésnek van egy bizonyos sebessége, ezért a tehetetlenségi nyomatékkal túllép az átlagos állapoton.
Az elektromos rezgések a feltöltött kondenzátor lemezei között fennálló potenciálkülönbséggel magyarázhatók. Még teljesen lemerült állapotban sem szűnik meg az áram, hanem újratöltődik.
A modern technológia olyan ingadozásokat használ, amelyek természetükben, ismétlési fokukban, természetükben és a megjelenési „mechanizmusukban” is jelentősen eltérnek egymástól.
A mechanikai rezgéseket hangszerek húrjai, tengeri hullámok, inga keltik. A különböző kölcsönhatások során figyelembe veszik a reagensek koncentrációjának változásával összefüggő kémiai ingadozásokat.
Az elektromágneses rezgések lehetővé teszik különféle műszaki eszközök, például telefonok, ultrahangos orvosi eszközök létrehozását.
A cefeidák fényesség-ingadozásai különösen érdekesek az asztrofizikában, és különböző országok tudósai tanulmányozzák őket.
Következtetés
Minden típusú oszcilláció szorosan kapcsolódik számos műszaki folyamathoz és fizikai jelenséghez. Gyakorlati jelentőségük nagy a repülőgépgyártásban, a hajógyártásban, a lakóépületek építésében, az elektrotechnikában, a rádióelektronikában, az orvostudományban és az alaptudományokban. Példa egy tipikus oszcillációs folyamatraa fiziológia kedvez a szívizom mozgásának. A mechanikai rezgések megtalálhatók a szerves és szervetlen kémiában, a meteorológiában és sok más természettudományban.
A matematikai ingával kapcsolatos első vizsgálatokat a 17. században végezték, és a tizenkilencedik század végére a tudósok meg tudták állapítani az elektromágneses oszcillációk természetét. Alekszandr Popov orosz tudós, akit a rádiókommunikáció "atyjának" tartanak, pontosan az elektromágneses rezgések elmélete, Thomson, Huygens és Rayleigh kutatási eredményei alapján végezte kísérleteit. Sikerült gyakorlati alkalmazást találnia az elektromágneses rezgésekre, hogy rádiójelet nagy távolságra továbbítson velük.
P. N. Lebedev akadémikus sok éven át kísérleteket végzett nagyfrekvenciás elektromágneses rezgések előállításával váltakozó elektromos mezők felhasználásával. A különféle rezgéstípusokkal kapcsolatos számos kísérletnek köszönhetően a tudósoknak sikerült megtalálniuk azokat a területeket, amelyek optimális felhasználására alkalmasak a modern tudományban és technológiában.
