Prirodne vibracije su procesi koje karakteriše određena ponovljivost. Na primjer, to uključuje kretanje klatna sata, žice gitare, nogu viljuške za podešavanje, aktivnost srca.
Mehaničke vibracije
Uzimajući u obzir fizičku prirodu, prirodne oscilacije mogu biti mehaničke, elektromagnetne, elektromehaničke. Pogledajmo pobliže prvi proces. Prirodne vibracije se javljaju u slučajevima kada nema dodatnog trenja, nema vanjskih sila. Ovakva kretanja karakteriše frekventna zavisnost samo od karakteristika datog sistema.
Harmonični procesi
Ove prirodne oscilacije podrazumijevaju promjenu oscilirajuće količine prema kosinusnom (sinusnom) zakonu. Hajde da analiziramo najjednostavniji oblik oscilatornog sistema, koji se sastoji od lopte okačene na oprugu.
U ovom slučaju, gravitacija balansira elastičnost opruge. Prema Hookeovom zakonu, postoji direktna veza između njenog proširenja opruge i sile primijenjene na tijelo.
Svojstva elastične sile
Sopstvene elektromagnetne oscilacije u kolu su povezane sa veličinom uticaja na sistem. Sila elastičnosti, koja je proporcionalna pomaku lopte iz ravnotežnog položaja, usmjerena je prema ravnotežnom stanju. Kretanje lopte pod njenim uticajem može se opisati zakonom kosinusa.
Period prirodnih oscilacija će biti određen matematički.
U slučaju opružnog klatna, otkriva se zavisnost od njegove krutosti, kao i od mase tereta. Period prirodnih oscilacija u ovom slučaju može se izračunati po formuli.
Energija pri harmonijskoj oscilaciji
Vrijednost je konstantna ako nema sile trenja.
Kako dolazi do oscilatornog kretanja, dolazi do periodične transformacije kinetičke energije u potencijalnu vrijednost.
Prigušene oscilacije
Sopstvene elektromagnetne oscilacije mogu nastati kada na sistem ne utiču spoljne sile. Trenje doprinosi prigušenju oscilacija, uočava se smanjenje njihove amplitude.
Učestalost prirodnih oscilacija u oscilatornom krugu je povezana sa svojstvima sistema, kao i sa intenzitetom gubitaka.
Sa povećanjem koeficijenta slabljenja, uočava se povećanje perioda oscilatornog kretanja.
Odnos amplituda koje su razdvojene intervalom jednakim jednom periodu je konstantanvrijednost tokom cijelog procesa. Ovaj omjer se naziva dekrement prigušenja.
Prirodne vibracije u oscilatornom krugu su opisane zakonom sinusa (kosinusa).
Period oscilovanja je imaginarna veličina. Kretanje je aperiodično. Sistem, koji je uklonjen iz ravnotežnog položaja bez dodatnih oscilacija, vraća se u prvobitno stanje. Metoda dovođenja sistema u stanje ravnoteže određena je njegovim početnim uslovima.
Resonance
Period prirodnih oscilacija kola je određen harmonijskim zakonom. Prisilne oscilacije se javljaju u sistemu pod dejstvom sile koja se periodično menja. Prilikom sastavljanja jednačine gibanja uzeto je u obzir da pored efekta prisile, pri slobodnim vibracijama djeluju i takve sile: otpor sredine, kvazielastična sila.
Rezonancija je naglo povećanje amplitude prisilnih oscilacija kada frekvencija pokretačke sile teži prirodnoj frekvenciji tijela. Sve vibracije koje se javljaju u ovom slučaju nazivaju se rezonantnim.
Da biste otkrili odnos između amplitude i vanjske sile za prisilne oscilacije, možete koristiti eksperimentalnu postavku. Kada se ručica poluge polako okreće, opterećenje opruge se pomiče gore-dolje slično točki njihovog ovjesa.
Sopstvene elektromagnetne oscilacije u oscilatornom kolu mogu se izračunati i drugi fizički parametrisistem.
U slučaju brže rotacije oscilacije se povećavaju, a kada je frekvencija rotacije jednaka prirodnoj, postiže se maksimalna vrijednost amplitude. Uz naknadno povećanje frekvencije rotacije, amplituda prisilnih oscilacija analiziranog opterećenja ponovo opada.
Rezonantna karakteristika
Laganim pokretom ručke teret gotovo da ne mijenja svoj položaj. Razlog je inercija opružnog klatna, koje ne drži korak sa vanjskom silom, pa se uočava samo "tretnja na mjestu".
Prirodna frekvencija oscilacija u krugu će odgovarati naglom porastu amplitude frekvencije vanjskog djelovanja.
Grafikon takve pojave naziva se rezonantna kriva. Može se uzeti u obzir i za filamentno klatno. Ako okačite masivnu kuglu na šinu, kao i niz lakih klatna sa različitim dužinama konca.
Svako od ovih klatna ima svoju frekvenciju oscilovanja, koja se može odrediti na osnovu ubrzanja slobodnog pada, dužine niti.
Ako se lopta izvuče iz ravnoteže, ostavljajući svjetlosno klatno bez kretanja, a zatim otpušteno, njegovi zamahi će dovesti do periodičnog savijanja šine. To će uzrokovati učinak periodično promjenjive elastične sile na svjetlosna klatna, uzrokujući da vrše prisilne oscilacije. Postepeno, svi će imati jednaku amplitudu, što će biti rezonancija.
Ova pojava se može vidjeti i za metronom čija je baza spojenanavoj sa osom klatna. U tom slučaju će se ljuljati maksimalnom amplitudom, tada frekvencija klatna "vuče" strunu odgovara frekvenciji njegovih slobodnih oscilacija.
Rezonanca nastaje kada vanjska sila, koja djeluje u vremenu sa slobodnim vibracijama, radi sa pozitivnom vrijednošću. Ovo dovodi do povećanja amplitude oscilatornog kretanja.
Pored pozitivnog uticaja, fenomen rezonancije često obavlja i negativnu funkciju. Na primjer, ako se jezik zvona njiše, važno je da se zvuk proizvede da uže djeluje u skladu sa slobodnim oscilirajućim pokretima jezika.
Primjena rezonancije
Rad frekventnog merača je baziran na rezonanciji. Uređaj je predstavljen u obliku elastičnih ploča različitih dužina, pričvršćenih na jednu zajedničku osnovu.
U slučaju kontakta frekventnog merača sa oscilatornim sistemom za koji je potrebno odrediti frekvenciju, ta ploča, čija je frekvencija jednaka izmerenoj, oscilovaće maksimalnom amplitudom. Nakon ulaska platine u rezonanciju, možete izračunati frekvenciju oscilirajućeg sistema.
U osamnaestom veku, nedaleko od francuskog grada Anžea, jedan odred vojnika kretao se u korak duž lančanog mosta, dužine 102 metra. Frekvencija njihovih koraka poprimila je vrijednost jednaku frekvenciji slobodnih vibracija mosta, što je izazvalo rezonanciju. To je izazvalo pucanje lanaca, urušavanje visećeg mosta.
1906. godine, iz istog razloga, uništen je egipatski most u Sankt Peterburgu, po kojem se kretala jedna eskadrila konjanika. Da biste izbjegli ovakve neugodne pojave, sada sprelazeći most, vojne jedinice idu slobodnim tempom.
Elektromagnetne pojave
One su međusobno povezane fluktuacije magnetnih i električnih polja.
Sopstvene elektromagnetne oscilacije u kolu se javljaju kada se sistem izvuče iz ravnoteže, na primer, kada se kondenzator prenese naelektrisanje, promena jačine struje u kolu.
Elektromagnetne oscilacije se pojavljuju u različitim električnim krugovima. U ovom slučaju, oscilatorno kretanje se vrši pomoću jačine struje, napona, naboja, jakosti električnog polja, magnetne indukcije i drugih elektrodinamičkih veličina.
One se mogu smatrati prigušenim oscilacijama, pošto energija data sistemu ide na toplotu.
Kao što su prisilne elektromagnetne oscilacije procesi u kolu, koji su uzrokovani periodično promjenjivom vanjskom sinusoidnom elektromotornom silom.
Ovakvi procesi se opisuju istim zakonima kao iu slučaju mehaničkih vibracija, ali imaju potpuno drugačiju fizičku prirodu. Električni fenomeni su poseban slučaj elektromagnetnih procesa sa snagom, naponom, naizmjeničnom strujom.
Oscilatorni krug
To je električni krug koji se sastoji od serijski spojenog induktora, kondenzatora određenog kapaciteta, otpornika.
Kada je oscilatorno kolo u stabilnom ravnotežnom stanju, kondenzator nema naboj i električna struja ne teče kroz zavojnicu.
Među glavnim karakteristikamaelektromagnetne oscilacije bilježe cikličnu frekvenciju, koja je drugi izvod naboja u odnosu na vrijeme. Faza elektromagnetnih oscilacija je harmonijska veličina, opisana sinusnim (kosinusnim) zakonom.
Period u oscilatornom kolu je određen Thomsonovom formulom, zavisi od kapacitivnosti kondenzatora, kao i od vrednosti induktivnosti zavojnice sa strujom. Struja u kolu se mijenja prema sinusnom zakonu, tako da možete odrediti fazni pomak za određeni elektromagnetni val.
Naizmenična struja
U okviru koji se rotira konstantnom ugaonom brzinom u jednoličnom magnetskom polju sa određenom vrednošću indukcije, određuje se harmonijski EMF. Prema Faradejevom zakonu za elektromagnetnu indukciju, one su određene promjenom magnetnog fluksa, sinusna je vrijednost.
Kada je eksterni EMF izvor spojen na oscilatorno kolo, unutar njega se javljaju prisilne oscilacije, koje se javljaju sa cikličkom frekvencijom ώ, jednakom po vrijednosti frekvenciji samog izvora. To su neprigušeni pokreti, budući da se prilikom naelektrisanja pojavljuje razlika potencijala, javlja se struja u kolu i druge fizičke veličine. Ovo uzrokuje harmonijske promjene napona, struje, koje se nazivaju pulsirajuće fizičke veličine.
Vrijednost od 50 Hz uzima se kao industrijska frekvencija naizmjenične struje. Za izračunavanje količine topline koja se oslobađa prilikom prolaska kroz provodnik naizmjenične struje ne koriste se maksimalne vrijednosti snage, jer se ona postiže samo u određenim vremenskim periodima. Za takve svrhe, prijavite seprosječna snaga, koja je odnos sve energije koja prolazi kroz kolo tokom analiziranog perioda, prema njegovoj vrijednosti.
Vrijednost naizmjenične struje odgovara konstanti, koja oslobađa istu količinu topline tokom perioda kao i naizmjenična struja.
Transformer
Ovo je uređaj koji povećava ili smanjuje napon bez značajnog gubitka električne energije. Ovaj dizajn se sastoji od nekoliko ploča na koje su pričvršćene dvije zavojnice sa žičanim namotajima. Primar je priključen na izvor izmjeničnog napona, a sekundar je priključen na uređaje koji troše električnu energiju. Za takav uređaj razlikuje se omjer transformacije. Za pojačani transformator, manji je od jedan, a za pojačani transformator teži 1.
Auto oscilacije
Ovo se nazivaju sistemi koji automatski regulišu snabdevanje energijom iz eksternog izvora. Procesi koji se u njima odvijaju smatraju se periodičnim neprigušenim (autooscilatornim) radnjama. Takvi sistemi uključuju cijevni generator elektromagnetnih interakcija, zvono, sat.
Postoje i slučajevi u kojima različita tijela istovremeno učestvuju u oscilacijama u različitim smjerovima.
Ako saberete takve pokrete koji imaju jednake amplitude, možete dobiti harmonijsku oscilaciju sa većom amplitudom.
Prema Fourierovom teoremu, skup jednostavnih oscilatornih sistema, na koje se složeni proces može razložiti, smatra se harmonijskim spektrom. Označava amplitude i frekvencije svih jednostavnih oscilacija uključenih utakav sistem. Najčešće se spektar odražava u grafičkom obliku.
Frekvencije su označene na horizontalnoj osi, a amplitude takvih oscilacija su prikazane duž ordinatne ose.
Svako oscilatorno kretanje: mehaničko, elektromagnetno, karakteriziraju određene fizičke veličine.
Pre svega, ovi parametri uključuju amplitudu, period, frekvenciju. Za svaki parametar postoje matematički izrazi koji vam omogućavaju da izvršite proračune, kvantitativno izračunate željene karakteristike.
