Механічні коливання: що це?

Механічні коливання: що це?

Слід приділити час невеликому нарису, присвяченому коливальному руху. Але спочатку необхідно відповісти на одне важливе запитання. Що розуміють під механічними коливаннями? Під ними передбачають рух, під час якого спостережуване тіло неодноразово займає одні й ті ж положення в просторі.

Фізики розрізняють неперіодичні та періодичні коливання. До перших відносять ті з них, при яких координати та інші характеристики тіла не піддаються опису за допомогою періодичних функцій часу. З другим виглядом простіше. Періодичні коливання - це ті, які можна описати за допомогою періодичних функцій часу. Але що вони мають на увазі? У фізиці також під коливаннями часто розуміють процеси, певною мірою повторювані в часі. І окремо щодо розглянутої теми слід сказати наступне. Механічні коливання умовно можна класифікувати таким чином:

  1. Залежно від умов виникнення:
    1. Вимушені;
    2. Автоколивання;
    3. Вільні.
  2. Залежно від зміни кінетичної енергії в часі:
    1. Гармонійні;
    2. Пілоподібні;
    3. Затухаючі.

У статті будуть розглянуті не всі, а тільки деякі типи коливань. Окремо варто сказати про формули, їх використання і різноманітність. Якщо коротко, то їх багато. Різноманітність, в якій представлені механічні коливання, формули визначення їх параметрів підштовхнули вчених до створення окремих довідників, розрахованих на певні ситуації. Придумувати самостійно, таким чином, нічого не треба. При створенні коливальної системи необхідно буде всього витратити півгодини або годину на те, щоб знайти формулу під конкретну ситуацію.

Характеристика механічних коливань

Для характеристики механічних коливань використовуються фізичні величини, які дозволяють отримати необхідні дані. Амплітуда коливання - найбільше відхилення тіла, яке гойдається від початкового значення положення. А що таке період? У ньому коливання - це час, який необхідний тілу, щоб повторити всі свої рухи, або іншими словами, необхідний для здійснення одного повторення руху. Що мають на увазі під частотою? Під нею розуміють число, рівне кількості коливань, скоєних за одну одиницю часу. Найчастіше в домашніх, шкільних та університетських дослідах за частоту приймають одну секунду. Циклічна частота часто використовується замість поняття кількості коливань, що відбулися за одиницю часу, і передбачає його підрахунок, необхідний на вчинення одного такого циклу.

Гармонійні механічні коливання

Під гармонійними коливаннями передбачаються ті з них, фізична величина яких, обрана для характеристики, змінюється на часовому інтервалі у вигляді синусоїдальної кривої, яку легко відобразити в графічному режимі. При зміні координати матеріальної точки, відповідно до гармонійного закону, імпульс, швидкість і прискорення змінюються теж по ньому.

Вільні коливання

Коли коливання відбувається в системі завдяки первісній енергії, то його називають вільним. Як практичне відображення такого типу фізичного процесу використовують спеціальні моделі: пружинний і математичний маятники. Вони дозволяють працювати з найпоширенішими ситуаціями. Як математичний маятник приймають точку, що коливається і висить на нерозтяжній і невагомій нитці. Такого пристрою на землі немає. Тому найближче до теоретичної моделі знаходиться конструкція, складена з кулі, діаметр (розмір) якого значно менше, ніж довжина нитки. Необхідно провести дії фізичного характеру. Відхиліть такий шар від свого початкового положення і відпустіть. І так будь-який експериментатор зможе побачити механічні коливання. Період, а також їх частота залежать виключно від параметрів системи: довжини нитки математичного маятника, жорсткості пружини, маси вантажу (важливо для пружинного маятника). Саме через це вільні коливання ще називають власними коливаннями системи. Цілком логічно. А частоту, з якою все відбувається, називають системною.

Перетворення енергії під час механічних коливань

Потенційна і кінетична енергії при рухах тіла переходять одна в іншу. І те ж саме - навпаки. Коли система відхиляється від початкового положення рівноваги на найбільше можливе значення, то потенційна енергія теж досягає свого максимального значення, тоді як кінетика тіла - мінімального. Окремо слід сказати про одну оману, популярну серед людей. Коли досягається положення рівноваги, то потенційна енергія знаходиться в точці свого мінімуму (зазвичай вважають, що тут вона дорівнює нулю), тоді як кінетика (а це і імпульс тіла, і швидкість його руху) досягає максимуму. На практиці враховується ще дещо. У реальних системах присутні не потенційні сили, значення яких не дорівнює нулю. Енергія системи витрачається за рахунок роботи сил опори, тертя повітря, внутрішніх сил пружини або підвісу. Поступово зменшується амплітуда коливання тіла. Такі коливання і називаються загасаючими. Якщо сила тертя занадто велика, то весь запас енергії може бути витрачений вже за період одного коливання, і рух тіла не буде періодичним.

Вимушені коливання

Під вимушеними коливаннями розуміють ті з них, які відбуваються під впливом зовнішньої сили, що здійснює роботу, що змінюється в часі. Є й інше формулювання. Завдяки зовнішньому припливу енергії, вона в самій системі підтримується на достатньому рівні, щоб відбувалися власне коливання. Щоб зрозуміти це, необхідно провести паралелі з реальністю. Прикладом предмета, що робить такого виду коливання, є гойдалки, на яких сидить одна людина, а друга його розгойдує. Є один нюанс. Якщо зовнішня сила компенсує втрату енергії в системі безперервно або періодично, без припинення самого процесу коливань, то їх називають незатухаючими вимушеними.


Про діапазон можна відзначити наступне. Амплітуда вимушених коливань повністю визначена силою, яка діє ззовні, а також співвідношенням між власними частотами беруть участь у процесі сторін. І тут має місце одне цікаве явище. При вимушених коливаннях періодично можна спостерігати різке зростання амплітуди, яке називається резонансом.

Резонанс

Він виникає в тих випадках, коли сила, що впливає на систему, стає дуже близькою до її частоти коливань. Можливий і інший варіант. У тому випадку, якщо частота впливаючої сили кратна коливанням самої системи, на яку вона впливає, теж виникає резонанс. Як він графічно зображується? Залежність амплітуд коливання системи від частоти впливової сили виражають за допомогою резонансної кривої.

Автоколивання

Своє застосування автоколивання знайшли в техніці. Вони існують там, де незатухаючі коливання підтримуються завдяки енергії джерела, яке може автоматично включати і вимикати сама система. У таких випадках можна всерйоз розглядати питання присвоєння системі статусу автоколивальної. Чому? Той момент, коли потрібно подавати енергію для коливання, відстежує підсистема, що відповідає за зворотний зв 'язок. Залежно від параметрів тіла, вона може впливати сильно і відразу, або потроху і поступово. Вона може відкривати або закривати можливість для надходження енергії в загальну систему. Це її головне завдання. Як приклад автоколивальної системи можна згадати маятниковий годинник, де джерело енергії - це гиря, а анкерний механізм успішно справляється з роллю підсистеми зворотного зв 'язку, що регулює подачу кінетики, від якої залежать механічні коливання.

Параметричні коливання

Під цим виглядом коливань визначаються ті з них, які відбуваються в системах, що періодично змінюють свої параметри. Що можна сказати про них? Єдине, чим визначаються амплітуда і сила коливальної системи, - це її параметри.