U fizici postoje različite vrste oscilacija koje karakterišu određeni parametri. Razmotrite njihove glavne razlike, klasifikaciju prema različitim faktorima.
Osnovne definicije
Pod fluktuacijom se podrazumeva proces u kome u pravilnim intervalima glavne karakteristike kretanja imaju iste vrednosti.
Periodične oscilacije su one u kojima se vrijednosti osnovnih veličina ponavljaju u pravilnim intervalima (period oscilacije).
Varienti oscilatornih procesa
Razmotrimo glavne vrste oscilacija koje postoje u fundamentalnoj fizici.
Slobodne vibracije su one koje se javljaju u sistemu koji nije podvrgnut vanjskim varijabilnim utjecajima nakon početnog udara.
Primjer slobodne oscilacije je matematičko klatno.
One vrste mehaničkih vibracija koje se javljaju u sistemu pod dejstvom spoljne promenljive sile.
Karakteristike klasifikacije
Po fizičkoj prirodi razlikuju se sljedeće vrste oscilatornih pokreta:
- mehanički;
- termalni;
- elektromagnetski;
- mješano.
Prema opciji interakcije sa okolinom
Vrste fluktuacija u interakciji sa okolinom podijeljene su u nekoliko grupa.
Prisilne oscilacije se javljaju u sistemu pod dejstvom spoljašnjeg periodičnog dejstva. Kao primjere ove vrste oscilacija možemo uzeti u obzir kretanje ruku, lišće na drveću.
Za prisilne harmonijske oscilacije može se pojaviti rezonancija, u kojoj, sa jednakim vrijednostima frekvencije vanjskog utjecaja i oscilatora, sa naglim povećanjem amplitude.
Sopstvene vibracije u sistemu pod uticajem unutrašnjih sila nakon njegovog izvođenja iz ravnoteže. Najjednostavnija verzija slobodnih vibracija je kretanje tereta koji je okačen na konac ili pričvršćen za oprugu.
Samooscilacije su tipovi u kojima sistem ima određenu količinu potencijalne energije koja se koristi za stvaranje oscilacija. Njihova odlika je činjenica da se amplituda karakteriše svojstvima samog sistema, a ne početnim uslovima.
Za slučajne fluktuacije, vanjsko opterećenje ima nasumičnu vrijednost.
Osnovni parametri oscilatornih kretanja
Svi načini vibracije imaju određene karakteristike koje treba posebno spomenuti.
Amplituda je maksimalno odstupanje od ravnotežnog položaja, odstupanje fluktuirajuće vrijednosti, mjeri se u metrima.
Period je vrijeme jednog punog zamaha, krozkoji ponavlja karakteristike sistema, izračunava se u sekundama.
Frekvencija je određena brojem oscilacija po jedinici vremena, obrnuto je proporcionalna periodu oscilovanja.
Faza oscilovanja karakteriše stanje sistema.
Karakteristika harmonijskih oscilacija
Ovakvi tipovi oscilacija se javljaju prema zakonu kosinusa ili sinusa. Fourier je uspio ustanoviti da se svaka periodična oscilacija može predstaviti kao zbir harmonijskih promjena proširenjem određene funkcije u Fourierov niz.
Kao primjer, razmotrite klatno sa određenim periodom i cikličkom frekvencijom.
Šta karakteriše ove vrste fluktuacija? Fizika smatra da je matematičko klatno idealizovan sistem, koji se sastoji od materijalne tačke, koja je okačena na bestežinsku nerastegljivu nit, oscilira pod uticajem gravitacije.
Ovakve vrste vibracija imaju određenu količinu energije, uobičajene su u prirodi i tehnologiji.
Sa produženim oscilatornim kretanjem, menja se koordinata njegovog centra mase, a sa naizmeničnom strujom menja se vrednost struje i napona u kolu.
Po fizičkoj prirodi postoje različite vrste harmonijskih oscilacija: elektromagnetne, mehaničke, itd.
Drhtanje vozila koje se kreće po neravnom putu djeluje kao prinudna oscilacija.
Glavne razlike između prisilnog i slobodnogfluktuacije
Ove vrste elektromagnetnih oscilacija se razlikuju po fizičkim karakteristikama. Prisustvo srednjeg otpora i sila trenja dovode do prigušenja slobodnih oscilacija. U slučaju prisilnih oscilacija, gubici energije se nadoknađuju njenim dodatnim napajanjem iz vanjskog izvora.
Period opružnog klatna povezuje masu tijela i krutost opruge. U slučaju matematičkog klatna, to zavisi od dužine niti.
Sa poznatim periodom, možete izračunati prirodnu frekvenciju oscilatornog sistema.
U tehnologiji i prirodi postoje fluktuacije sa različitim frekvencijskim vrijednostima. Na primjer, klatno koje oscilira u Katedrali Svetog Isaka u Sankt Peterburgu ima frekvenciju od 0,05 Hz, dok je za atome nekoliko miliona megaherca.
Nakon određenog vremenskog perioda, primećuje se prigušenje slobodnih oscilacija. Zbog toga se u realnoj praksi koriste prisilne oscilacije. Oni su traženi u raznim vibracionim mašinama. Vibracioni čekić je mašina sa udarnim vibracijama koja je dizajnirana za zabijanje cijevi, šipova i drugih metalnih konstrukcija u zemlju.
Elektromagnetne oscilacije
Karakterizacija načina oscilovanja uključuje analizu glavnih fizičkih parametara: naboj, napon, jačina struje. Kao elementarni sistem, koji se koristi za posmatranje elektromagnetnih oscilacija, je oscilatorno kolo. Nastaje serijskim povezivanjem zavojnice i kondenzatora.
Kada je kolo zatvoreno, slobodan elektromagnetskifluktuacije povezane s periodičnim promjenama električnog naboja na kondenzatoru i struje u zavojnici.
Besplatni su zbog činjenice da prilikom njihovog izvođenja nema spoljašnjeg uticaja, već se koristi samo energija uskladištena u samom kolu.
Ako smatramo da je otpor zavojnice nula, a period oscilacije uzmemo kao T, možemo uzeti u obzir jednu potpunu oscilaciju koju napravi sistem.
U odsustvu spoljašnjeg uticaja, nakon određenog vremenskog perioda, primećuje se prigušenje elektromagnetne oscilacije. Razlog za ovu pojavu će biti postepeno pražnjenje kondenzatora, kao i otpor koji zavojnica zapravo ima.
Zato se u realnom kolu javljaju prigušene oscilacije. Smanjenje naboja na kondenzatoru dovodi do smanjenja energetske vrijednosti u odnosu na njegovu prvobitnu vrijednost. Postepeno će se oslobađati kao toplota na spojnim žicama i zavojnicama, kondenzator će se potpuno isprazniti, a elektromagnetska oscilacija će biti završena.
Važnost fluktuacija u nauci i tehnologiji
Svi pokreti koji imaju određeni stepen ponavljanja su oscilacije. Na primjer, matematičko klatno karakterizira sistematsko odstupanje u oba smjera od prvobitne vertikalne pozicije.
Za opružno klatno, jedan puni zamah odgovara njegovom kretanju gore-dole od početne pozicije.
U električnom kolu koje ima kapacitivnost i induktivnost, dolazi do ponavljanja naelektrisanja nakondenzatorske ploče. Šta je uzrok oscilatornih kretanja? Klatno funkcionira zbog činjenice da ga gravitacija uzrokuje da se vrati u prvobitni položaj. U slučaju modela opruge, sličnu funkciju obavlja elastična sila opruge. Prelazeći ravnotežni položaj, teret ima određenu brzinu, pa se po inerciji kreće preko prosječnog stanja.
Električne oscilacije se mogu objasniti razlikom potencijala koja postoji između ploča napunjenog kondenzatora. Čak i kada se potpuno isprazni, struja ne nestaje, već se puni.
Moderna tehnologija koristi fluktuacije koje se značajno razlikuju po svojoj prirodi, stepenu ponavljanja, prirodi, kao i "mehanizmu" pojavljivanja.
Mehaničke vibracije čine žice muzičkih instrumenata, morski talasi, klatno. Hemijske fluktuacije povezane s promjenom koncentracije reaktanata uzimaju se u obzir prilikom provođenja različitih interakcija.
Elektromagnetne oscilacije omogućavaju stvaranje različitih tehničkih uređaja, kao što su telefoni, ultrazvučni medicinski uređaji.
Fluktuacije sjaja cefeida su od posebnog interesa u astrofizici, a naučnici iz različitih zemalja ih proučavaju.
Zaključak
Sve vrste oscilacija su usko povezane sa ogromnim brojem tehničkih procesa i fizičkih pojava. Njihov praktični značaj je veliki u aviogradnji, brodogradnji, izgradnji stambenih kompleksa, elektrotehnici, radio elektronici, medicini i fundamentalnoj nauci. Primjer tipičnog oscilatornog procesa ufiziologija favorizuje kretanje srčanog mišića. Mehaničke vibracije se nalaze u organskoj i neorganskoj hemiji, meteorologiji i mnogim drugim prirodnim naukama.
Prva istraživanja matematičkog klatna sprovedena su u sedamnaestom veku, a do kraja devetnaestog veka naučnici su uspeli da utvrde prirodu elektromagnetnih oscilacija. Ruski naučnik Aleksandar Popov, koji se smatra "ocem" radio komunikacija, izvodio je svoje eksperimente upravo na osnovu teorije elektromagnetnih oscilacija, rezultata istraživanja Thomsona, Huygensa i Rayleigha. Uspio je da pronađe praktičnu primjenu za elektromagnetne oscilacije, da ih koristi za prijenos radio signala na velike udaljenosti.
Akademik P. N. Lebedev je dugi niz godina provodio eksperimente vezane za proizvodnju visokofrekventnih elektromagnetnih oscilacija koristeći naizmjenična električna polja. Zahvaljujući brojnim eksperimentima vezanim za različite vrste vibracija, naučnici su uspjeli pronaći područja za njihovu optimalnu upotrebu u modernoj nauci i tehnologiji.
