A természetes rezgések olyan folyamatok, amelyeket bizonyos megismételhetőség jellemez. Ilyen például az óra ingájának mozgása, a gitárhúr, a hangvilla lábai, a szív tevékenysége.
Mechanikai rezgések
Fizikai természetet figyelembe véve a természetes rezgések lehetnek mechanikusak, elektromágnesesek, elektromechanikusak. Nézzük meg közelebbről az első folyamatot. Természetes rezgések lépnek fel olyan esetekben, amikor nincs további súrlódás, nincs külső erő. Az ilyen mozgásokra jellemző a frekvenciafüggés csak az adott rendszer jellemzőitől.
Harmonikus folyamatok
Ezek a természetes oszcillációk az oszcilláló mennyiség változását jelentik a koszinusz (szinusz) törvény szerint. Elemezzük az oszcillációs rendszer legegyszerűbb formáját, amely egy rugóra függesztett golyóból áll.
Ebben az esetben a gravitáció egyensúlyba hozza a rugó rugalmasságát. A Hooke-törvény szerint közvetlen kapcsolat van a rugó kiterjedése és a testre ható erő között.
Rugalmas erő tulajdonságai
A saját elektromágneses rezgések az áramkörben összefüggenek a rendszerre gyakorolt hatás nagyságával. A rugalmas erő, amely arányos a labda egyensúlyi helyzetből való elmozdulásával, az egyensúlyi állapot felé irányul. A labda hatása alatti mozgása a koszinusz törvényével írható le.
A természetes oszcilláció periódusát matematikailag határozzuk meg.
Rugós inga esetén a merevségétől, valamint a terhelés tömegétől való függés mutatkozik meg. A természetes rezgések periódusa ebben az esetben a következő képlettel számítható ki.
Energia harmonikus oszcillációnál
Az érték állandó, ha nincs súrlódási erő.
Amint az oszcilláló mozgás megtörténik, a kinetikus energia periodikusan átalakul potenciális értékké.
Csillapított oszcillációk
Saját elektromágneses rezgések akkor fordulhatnak elő, ha a rendszert nem befolyásolják külső erők. A súrlódás hozzájárul a rezgések csillapításához, amplitúdójuk csökkenése figyelhető meg.
A természetes rezgések frekvenciája egy oszcillációs körben összefügg a rendszer tulajdonságaival, valamint a veszteségek intenzitásával.
A csillapítási együttható növekedésével az oszcillációs mozgás időtartamának növekedése figyelhető meg.
Az egy periódussal egyenlő intervallummal elválasztott amplitúdók aránya állandóértéket a folyamat során. Ezt az arányt csillapításcsökkentésnek nevezzük.
Az oszcillációs körben a természetes rezgéseket a szinuszok (koszinuszok) törvénye írja le.
Az oszcillációs periódus egy képzeletbeli mennyiség. A mozgás időszakos. Az egyensúlyi helyzetből további rezgések nélkül kikerült rendszer visszatér eredeti állapotába. A rendszer egyensúlyi állapotba hozásának módját a kezdeti feltételei határozzák meg.
Rezonancia
Az áramkör természetes rezgésének periódusát a harmonikus törvény határozza meg. A kényszerrezgések periodikusan változó erő hatására jelennek meg a rendszerben. A mozgásegyenlet összeállításánál figyelembe veszik, hogy a kényszerhatáson kívül a szabad rezgések során olyan erők is hatnak: a közeg ellenállása, a kvázi-rugalmas erő.
A rezonancia az erőltetett rezgések amplitúdójának éles növekedése, amikor a hajtóerő frekvenciája a test természetes frekvenciájához igazodik. Ebben az esetben minden rezgést rezonánsnak nevezünk.
Az amplitúdó és a külső erő közötti kapcsolat feltárásához a kényszerrezgések esetében használhatja a kísérleti beállítást. A forgattyús fogantyú lassú forgatásakor a rugó terhelése a felfüggesztés pontjához hasonlóan fel-le mozog.
A saját elektromágneses rezgések az oszcillációs áramkörben kiszámíthatók és egyéb fizikai paraméterekrendszer.
Gyorsabb forgás esetén az oszcillációk nőnek, és amikor a forgási frekvencia megegyezik a természetesvel, akkor elérjük a maximális amplitúdó értéket. A forgási frekvencia ezt követő növelésével az elemzett terhelés kényszerrezgésének amplitúdója ismét csökken.
Rezonanciakarakterisztika
A fogantyú enyhe mozgatásával a teher szinte nem változtatja meg a helyzetét. Ennek oka a rugós inga tehetetlensége, amely nem tart lépést a külső erővel, így csak „remegés a helyén” figyelhető meg.
Az áramkörben az oszcillációk sajátfrekvenciája megfelel a külső hatás frekvenciájának amplitúdójának éles növekedésének.
Egy ilyen jelenség grafikonját rezonanciagörbének nevezzük. Izzós ingának is szóba jöhet. Ha egy masszív labdát akaszt a sínre, valamint számos könnyű ingát különböző menethosszúsággal.
Mindegyik ilyen ingának megvan a maga rezgési frekvenciája, amely a szabadesés gyorsulása, a szál hossza alapján határozható meg.
Ha a labdát kivonják az egyensúlyból, mozgás nélkül hagyva a könnyű ingát, majd elengedik, a lengései a sín időszakos elhajlásához vezetnek. Ez egy periodikusan változó rugalmas erő hatását idézi elő a könnyű ingákra, amelyek kényszer rezgéseket hajtanak végre. Fokozatosan mindegyik egyenlő amplitúdójú lesz, ami a rezonancia lesz.
Ez a jelenség egy olyan metronómnál is megfigyelhető, amelynek az alapja össze van kötvemenet az inga tengelyével. Ebben az esetben maximális amplitúdóval fog lendíteni, ekkor a húrt „húzó” inga frekvenciája megfelel a szabad rezgések frekvenciájának.
Rezonancia akkor lép fel, amikor egy külső erő, szabad rezgésekkel időben hat, pozitív értékkel működik. Ez az oszcilláló mozgás amplitúdójának növekedéséhez vezet.
A pozitív hatás mellett a rezonancia jelensége gyakran negatív funkciót is betölt. Például, ha a harang nyelve himbálózik, akkor fontos, hogy a hang keletkezzen, hogy a kötél időben működjön a nyelv szabad oszcilláló mozgásaival.
Rezonancia alkalmazása
A reed frekvenciamérő működése a rezonancián alapul. Az eszközt különböző hosszúságú rugalmas lemezek formájában mutatják be, amelyek egy közös alapra vannak rögzítve.
Ha a frekvenciamérőt olyan oszcillációs rendszerrel érintkezik, amelynek frekvenciáját meg kell határozni, az a lemez, amelynek frekvenciája megegyezik a mért frekvenciával, a maximális amplitúdóval rezeg. A platina rezonanciába adása után kiszámíthatja az oszcilláló rendszer frekvenciáját.
A tizennyolcadik században, a francia Angers városától nem messze, egy csapat katona haladt lépésben egy lánchídon, amelynek hossza 102 méter volt. Lépésük frekvenciája a híd szabad rezgésének frekvenciájával megegyező értéket vett fel, ami rezonanciát okozott. Emiatt a láncok elszakadtak, a függőhíd pedig összeomlott.
1906-ban ugyanezen okból megsemmisült az egyiptomi hidat Szentpéterváron, amely mentén lovasszázad mozgott. Az ilyen kellemetlen jelenségek elkerülése érdekében most aa hídon átkelve a katonai egységek szabad tempóban mennek.
Elektromágneses jelenségek
Ezek a mágneses és elektromos mezők egymással összefüggő ingadozásai.
Saját elektromágneses rezgések az áramkörben akkor lépnek fel, amikor a rendszer kikerül az egyensúlyi helyzetből, például ha egy kondenzátor töltést ad, az áramerősség megváltozik az áramkörben.
Elektromágneses rezgések jelennek meg a különböző elektromos áramkörökben. Ebben az esetben az oszcilláló mozgást az áramerősség, a feszültség, a töltés, az elektromos térerősség, a mágneses indukció és más elektrodinamikai mennyiségek hajtják végre.
Ezek csillapított oszcillációnak tekinthetők, mivel a rendszernek adott energia hőre megy.
Kényszerített elektromágneses oszcillációként azokat a folyamatokat nevezzük az áramkörben, amelyeket egy periodikusan változó külső szinuszos elektromotoros erő okoz.
Az ilyen folyamatokat ugyanazok a törvények írják le, mint a mechanikai rezgések esetében, de teljesen más fizikai természetük van. Az elektromos jelenségek olyan elektromágneses folyamatok speciális esetei, amelyek teljesítményt, feszültséget, váltakozó áramot tartalmaznak.
Oszcillációs áramkör
Ez egy elektromos áramkör, amely egy sorba kapcsolt induktorból, egy bizonyos kapacitású kondenzátorból és egy ellenállás-ellenállásból áll.
Ha az oszcilláló áramkör stabil egyensúlyi állapotban van, a kondenzátornak nincs töltése, és nem folyik elektromos áram a tekercsen keresztül.
A főbb jellemzők közöttAz elektromágneses rezgések figyelik a ciklikus frekvenciát, amely a töltés második deriváltja az idő függvényében. Az elektromágneses rezgések fázisa egy harmonikus mennyiség, amelyet a szinusz (koszinusz) törvény ír le.
Az oszcillációs áramkör időtartamát a Thomson-képlet határozza meg, függ a kondenzátor kapacitásától, valamint a tekercs áramerősség-induktivitásának értékétől. Az áramkörben az áram a szinusztörvény szerint változik, így meghatározható egy bizonyos elektromágneses hullám fáziseltolása.
Váltóáram
Egy olyan keretben, amely állandó szögsebességgel forog egyenletes mágneses térben, bizonyos értékű indukció mellett, harmonikus EMF kerül meghatározásra. Faraday elektromágneses indukciós törvénye szerint ezeket a mágneses fluxus változása határozza meg, egy szinuszos érték.
Amikor egy külső EMF-forrást csatlakoztatnak az oszcillációs áramkörhöz, kényszerrezgések lépnek fel benne, amelyek ώ ciklikus frekvenciával fordulnak elő, amelynek értéke megegyezik magának a forrásnak a frekvenciájával. Ezek csillapítatlan mozgások, hiszen töltéskor potenciálkülönbség jelenik meg, áram keletkezik az áramkörben és egyéb fizikai mennyiségek. Ez harmonikus feszültség- és áramváltozásokat okoz, amelyeket pulzáló fizikai mennyiségeknek nevezünk.
Az 50 Hz-es érték a váltakozó áram ipari frekvenciája. A váltakozó áramú vezetőn való áthaladáskor felszabaduló hőmennyiség kiszámításához a maximális teljesítményértékeket nem használják fel, mivel azt csak bizonyos időszakokban érik el. Ilyen célokra alkalmazzaátlagos teljesítmény, amely az elemzett időszakban az áramkörön áthaladó összes energia és annak értékének aránya.
A váltakozó áram értéke megfelel az állandónak, amely ugyanannyi hőt bocsát ki a periódus alatt, mint a váltakozó áramé.
Transformer
Ez egy olyan eszköz, amely jelentős elektromos energiaveszteség nélkül növeli vagy csökkenti a feszültséget. Ez a kialakítás több lemezből áll, amelyeken két tekercs huz altekerccsel van rögzítve. Az elsődleges egy váltakozó feszültségforráshoz, a szekunder pedig elektromos energiát fogyasztó eszközökhöz csatlakozik. Egy ilyen eszköz esetében átalakítási arányt különböztetünk meg. Fokozatos transzformátornál kisebb, mint egy, emelő transzformátornál pedig inkább 1.
Automatikus oszcillációk
Ezeket rendszereknek nevezzük, amelyek automatikusan szabályozzák a külső forrásból származó energiaellátást. A bennük lezajló folyamatokat periodikus csillapítatlan (önoszcilláló) cselekvéseknek tekintjük. Az ilyen rendszerek közé tartozik az elektromágneses kölcsönhatások csőgenerátora, egy csengő, egy óra.
Vannak olyan esetek is, amikor különböző testek egyidejűleg vesznek részt a különböző irányú rezgésekben.
Ha az egyenlő amplitúdójú mozgásokat összeadja, akkor nagyobb amplitúdójú harmonikus rezgést kaphat.
A Fourier-tétel szerint az egyszerű oszcillációs rendszerek halmaza, amelyekre egy összetett folyamat felbontható, harmonikus spektrumnak minősül. Jelzi a benne szereplő összes egyszerű rezgés amplitúdóját és frekvenciájátegy ilyen rendszer. A spektrum leggyakrabban grafikus formában jelenik meg.
A frekvenciák a vízszintes tengelyen vannak jelölve, az ilyen rezgések amplitúdója pedig az ordináta tengelye mentén.
Bármilyen oszcillációs mozgást: mechanikus, elektromágneses, bizonyos fizikai mennyiségek jellemzik.
Először is, ezek a paraméterek közé tartozik az amplitúdó, periódus, frekvencia. Minden paraméterhez matematikai kifejezések tartoznak, amelyek lehetővé teszik a számítások elvégzését, a kívánt jellemzők mennyiségi kiszámítását.
