U svakodnevnom životu osoba se stalno susreće s manifestacijama oscilatornog kretanja. Ovo je zamah klatna u satu, vibracije automobilskih opruga i čitavog automobila. Čak i zemljotres nije ništa drugo do vibracije zemljine kore. Visoke zgrade se takođe njišu od jakih naleta vetra. Hajde da pokušamo da shvatimo kako fizika objašnjava ovaj fenomen.
Klatno kao oscilatorni sistem
Najočitiji primjer oscilatornog kretanja je klatno na zidnom satu. Prolazak klatna od najviše tačke na levoj strani do najviše tačke na desnoj strani naziva se njegov puni zamah. Period jedne takve potpune oscilacije naziva se perimetar. Frekvencija oscilovanja je broj oscilacija u sekundi.
Za proučavanje oscilacija koristi se jednostavno klatno koje se pravi tako što se mala metalna kuglica okači na konac. Ako zamislimo da je lopta materijalna tačka, a nit nema apsolutnu masufleksibilnost i nedostatak trenja, dobijate teorijsko, takozvano matematičko klatno.
Period oscilovanja takvog "idealnog" klatna može se izračunati pomoću formule:
T=2π √ l / g, gdje je l dužina klatna, g je ubrzanje slobodnog pada.
Formula pokazuje da period oscilovanja klatna ne zavisi od njegove mase i ne uzima u obzir ugao odstupanja od ravnotežnog položaja.
Transformacija energije
Kakav je mehanizam kretanja klatna koje se ponavlja sa određenim periodom čak do beskonačnosti, da ne postoje sile trenja i otpora, za savladavanje kojih je potreban određeni rad?
Klatno počinje da oscilira zbog energije koja mu se prenosi. U trenutku kada se klatno odvoji od vertikalnog položaja, dajemo mu određenu količinu potencijalne energije. Kada se klatno pomakne iz svoje gornje tačke u početni položaj, potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju. U ovom slučaju, brzina klatna će postati najveća, jer se sila koja daje ubrzanje smanjuje. Zbog činjenice da je u početnom položaju brzina klatna najveća, ono se ne zaustavlja, već se po inerciji kreće dalje duž luka kružnice do potpuno iste visine kao i ona s koje se spustilo. Ovako se energija pretvara tokom oscilatornog kretanja iz potencijalne u kinetičku.
Visina klatna jednaka je visini njegovog spuštanja. Galileo je došao do ovog zaključka dok je provodio eksperiment s klatnom, kasnije nazvanim po njemu.
Zamah klatna je neosporan primjer zakona održanja energije. I zovu se harmonijske vibracije.
Sinusni val i faza
Šta je harmonijsko oscilatorno kretanje. Da biste vidjeli princip takvog kretanja, možete provesti sljedeći eksperiment. Na prečku objesimo lijevak s pijeskom. Ispod njega stavljamo list papira, koji se može pomjeriti okomito na fluktuacije lijevka. Pokrenuvši lijevak, pomjeramo papir.
Rezultat je valovita linija ispisana u pijesku - sinusoida. Ove oscilacije, koje se javljaju u skladu sa zakonom sinusa, nazivaju se sinusoidnim ili harmonijskim. Sa takvim fluktuacijama, svaka veličina koja karakterizira kretanje će se promijeniti u skladu sa zakonom sinusa ili kosinusa.
Pregledavši sinusoidu formiranu na kartonu, može se primijetiti da je pijesak sloj pijeska u svojim različitim dijelovima različite debljine: na vrhu ili koritu sinusoide, bio je najgušće nagomilan. Ovo sugerira da je u ovim tačkama brzina klatna bila najmanja, odnosno nula, u onim tačkama gdje je klatno obrnulo svoje kretanje.
Koncept faze igra veliku ulogu u proučavanju oscilacija. Prevedeno na ruski, ova riječ znači "manifestacija". U fizici, faza je specifična faza periodičnog procesa, odnosno mjesto na sinusoidi gdje se klatno trenutno nalazi.
Oklevanja na slobodi
Ako je oscilatornom sistemu dat pokret i zatim zaustavljenuticaj bilo kojih sila i energija, tada će se oscilacije takvog sistema zvati slobodnim. Oscilacije klatna, koje je prepušteno samo sebi, postepeno će početi da blijedi, amplituda će se smanjivati. Kretanje klatna nije samo promjenjivo (brže na dnu i sporije na vrhu), već nije ni jednolično promjenjivo.
U harmonijskim oscilacijama, sila koja daje ubrzanje klatna postaje slabija sa smanjenjem količine odstupanja od ravnotežne tačke. Postoji proporcionalan odnos između sile i udaljenosti otklona. Stoga se takve vibracije nazivaju harmonijskim, u kojima ugao odstupanja od ravnotežne tačke ne prelazi deset stepeni.
Prisilno kretanje i rezonancija
Za praktičnu primenu u inženjerstvu, vibracijama nije dozvoljeno da se raspadnu, prenoseći spoljašnju silu na oscilirajući sistem. Ako se oscilatorno kretanje događa pod vanjskim utjecajem, ono se naziva prisilno. Prisilne oscilacije se javljaju sa frekvencijom koju im postavlja vanjski utjecaj. Frekvencija spoljašnje sile koja deluje može se, ali i ne mora podudarati sa frekvencijom prirodnih oscilacija klatna. Kada se poklapaju, amplituda oscilacija se povećava. Primjer takvog povećanja je zamah koji uzleće više ako im tokom kretanja date ubrzanje, udarajući u ritam njihovog vlastitog pokreta.
Ova pojava u fizici se zove rezonancija i od velike je važnosti za praktične primjene. Na primjer, kada se radio prijemnik podešava na željeni talas, on se dovodi u rezonanciju sa odgovarajućom radio stanicom. Fenomen rezonancije ima i negativne posljedice,što dovodi do uništenja zgrada i mostova.
Samodovoljni sistemi
Pored prisilnih i slobodnih vibracija, postoje i samooscilacije. Oni se javljaju sa frekvencijom samog oscilirajućeg sistema kada su izloženi konstantnoj, a ne promenljivoj sili. Primjer samooscilacija je sat, kretanje klatna u kojem se osigurava i održava odmotavanjem opruge ili spuštanjem tereta. Prilikom sviranja violine, prirodne vibracije žica se poklapaju sa silom koja nastaje djelovanjem gudala i pojavljuje se zvuk određenog tonaliteta.
Oscilatorni sistemi su raznovrsni, a proučavanje procesa koji se u njima odvijaju u praktičnim eksperimentima je zanimljivo i informativno. Praktična primjena oscilatornog kretanja u svakodnevnom životu, nauci i tehnologiji je raznolika i neophodna: od zamaha do proizvodnje raketnih motora.
