Tipuri de oscilații în fizică și caracteristicile lor

Există diferite tipuri de oscilații în fizică, caracterizate de anumiți parametri. Să luăm în considerare principalele lor diferențe, clasificarea prin diferiți factori.

Definiții de bază

Prin oscilare se înțelege un proces în care, la intervale regulate, caracteristicile de bază ale mișcării au aceleași valori.

Periodic numite astfel de oscilații, în care valorile cantităților de bază se repetă prin aceleași intervale de timp (perioadă de oscilație).

Soiuri de procese oscilante

Să luăm în considerare principalele tipuri de oscilații care există în fizica fundamentală.

Vibrațiile libere se numesc oscilații care apar într-un sistem care nu este supus influențelor variabile externe după șocul inițial.

Un exemplu de oscilații libere este un pendul matematic.

Aceste tipuri de oscilații mecanice care apar în sistem sub acțiunea unei forțe variabile exterioare.

Caracteristici de clasificare

Următoarele tipuri de mișcări oscilante se disting prin natura fizică:

• mecanice;
• termică;
• electromagnetice;
• mixt.

Conform variantei interacțiunii cu mediul

Tipurile de vibrații în interacțiune cu mediul disting mai multe grupuri.

Forțele oscilante apar în sistem sub acțiunea unei acțiuni periodice externe. Ca exemple de acest tip de vibrații, se poate lua în considerare mișcarea mâinilor, frunzele pe copaci.

Pentru oscilațiile forțate armonice, se poate produce o rezonanță, la care pentru valori egale ale frecvenței acțiunii externe și a oscilatorului cu o creștere accentuată a amplitudinii.

Oscilații proprii în sistem sub influența forțelor interne după ce sunt îndepărtate din starea de echilibru. Cea mai simplă versiune a oscilațiilor libere este mișcarea unei sarcini suspendate pe un fir sau atașată la un arc.

Auto-oscilația se referă la speciile în care sistemul are o anumită rezervă de energie potențială, ceea ce duce la oscilații. O trăsătură distinctivă a acestora este faptul că amplitudinea este caracterizată de proprietățile sistemului în sine și nu de condițiile inițiale.

Pentru oscilații aleatorii, sarcina externă are o valoare aleatorie.

Parametrii de bază ai mișcărilor oscilatorii

Toate tipurile de oscilații au anumite caracteristici, care trebuie menționate separat.

Amplitudinea este abaterea maximă față de poziția de echilibru, abaterea cantității oscilante, măsurată în metri.

Perioada este timpul unei singure oscilații, prin care se repetă caracteristicile sistemului, se calculează în secunde.

Frecvența este determinată de numărul de oscilații pe unitate de timp, este invers proporțională cu perioada de oscilații.

Faza de oscilație caracterizează starea sistemului.

Caracteristic al oscilațiilor armonice

Astfel de tipuri de oscilații apar în conformitate cu legea cosinusului sau a sinusurilor. Fourier a reușit să stabilească faptul că orice oscilație periodică poate fi reprezentată ca o sumă a modificărilor armonice prin extinderea unei funcții definite în Seria Fourier.

De exemplu, putem considera un pendul cu o anumită perioadă și o frecvență ciclică.

Care sunt caracteristicile acestor tipuri de oscilații? Fizica consideră pendul matematic un sistem idealizat care constă dintr-un punct material suspendat pe un fir inextensibil fără greutate, oscilează sub influența gravitației.

Aceste tipuri de oscilații au o anumită cantitate de energie, ele sunt comune în natură și tehnologie.

Cu mișcare oscilantă continuă, coordonatele centrului său de masă se schimbă, iar la un curent alternativ se modifică valoarea curentului și a tensiunii în circuit.

Alocați diferite tipuri de oscilații armonice în natură fizică: electromagnetice, mecanice etc.

Pe măsură ce fluctuațiile forțate, apare agitarea vehiculului care se deplasează de-a lungul unui drum neuniform.

Principalele diferențe între oscilațiile forțate și libere

Aceste tipuri de oscilații electromagnetice diferă în funcție de caracteristicile lor fizice. Prezența rezistenței mediului și a forței de frecare conduc la atenuarea oscilațiilor libere. În cazul oscilațiilor forțate, pierderile de energie sunt compensate prin aportul suplimentar de la o sursă externă.

Perioada pendulului de primăvară leagă masa corporală și rigiditatea arcului. În cazul unui pendul matematic, depinde de lungimea filamentului.

Pentru o perioadă cunoscută, se poate calcula frecvența naturală a sistemului oscilator.

În tehnologie și în natură, există oscilații cu frecvențe diferite. De exemplu, pendulul, care oscilează în Catedrala Sf. Isaac din Sankt Petersburg, are o frecvență de 0,05 Hz, iar pentru atomi este de câteva milioane de megahertzi.

După o anumită perioadă de timp, se observă amortizarea oscilațiilor libere. De aceea oscilațiile forțate sunt folosite în practica reală. Acestea sunt solicitate într-o varietate de mașini vibratoare. Ciocanul vibratoare este o mașină vibratoare cu șoc, care este proiectată să aducă conducte, piloți și alte structuri metalice în pământ.

Oscilații electromagnetice

Caracterizarea modurilor de oscilație implică o analiză a parametrilor fizici de bază: sarcină, tensiune, amperaj. Ca sistem elementar, folosit pentru a observa oscilațiile electromagnetice, este circuitul oscilator. Se formează prin conexiunea serială a unei bobine și a unui condensator.

Când circuitul este închis, în el apar oscilații electromagnetice libere, legate de modificările periodice ale încărcării electrice pe condensator și de curentul în bobină.

Sunt libere datorită faptului că, atunci când sunt comise, nu există nici o influență externă și se folosește doar energia stocată în circuit.

Dacă presupunem că rezistența bobinei este zero și perioada de oscilație este considerată T, putem lua în considerare o oscilație completă făcută de sistem.

În absența influenței externe, după o anumită perioadă de timp, se observă amortizarea oscilațiilor electromagnetice. Motivul pentru acest fenomen este descărcarea treptată a condensatorului, precum și rezistența pe care o are bobina.

De aceea, într-un circuit real, apar oscilații amortizate. Reducerea încărcării pe condensator duce la o scădere a valorii energetice în comparație cu valoarea inițială. Treptat se va separa sub formă de căldură pe firele de conectare și bobina, condensatorul va fi complet descărcat și oscilația electromagnetică se va termina.

Importanța fluctuațiilor în știință și tehnologie

Orice mișcări care au un anumit grad de reapariție sunt oscilații. De exemplu, un pendul matematic este caracterizat printr-o abatere sistematică de ambele părți ale poziției verticale originale.

Pentru un pendul de primăvară, o oscilație completă corespunde mișcării sale în sus și în jos din poziția sa inițială.

În circuitul electric, care are capacitate și inductanță, se observă o încărcare pe plăcile de condensatoare. Care este cauza mișcărilor vibraționale? Pendulul funcționează deoarece forța gravitațională îl forțează să se întoarcă în poziția inițială. În cazul unui model de primăvară, o forță similară este exercitată de forța elastică a arcului. Trecând poziția de echilibru, sarcina are o anumită viteză, prin urmare, prin inerție se deplasează peste starea medie.

Oscilațiile electrice pot fi explicate prin diferența de potențial dintre plăcile unui condensator încărcat. Chiar și cu descărcarea completă, curentul nu dispare și încărcarea este reîncărcată.

În tehnologia modernă, se folosesc oscilații care diferă substanțial în funcție de natura, gradul de recurență, caracterul și, de asemenea, "mecanismul" apariției.

Vibrațiile mecanice fac șiruri de instrumente muzicale, valuri de mare, un pendul. Fluctuațiile chimice asociate cu o modificare a concentrației de substanțe reactive sunt luate în considerare atunci când se efectuează diferite interacțiuni.

Oscilațiile electromagnetice permit crearea de diverse dispozitive tehnice, de exemplu telefon, dispozitive medicale cu ultrasunete.

Fluctuațiile luminozității cefeizilor prezintă un interes deosebit pentru astrofizică, iar oamenii de știință din diferite țări sunt implicați în studiul lor.

concluzie

Toate tipurile de oscilații sunt strâns legate de un număr mare de procese tehnice și fenomene fizice. Importanța lor practică în construcția de avioane, construcția navelor, construcția de complexe rezidențiale, inginerie electrică, electronică radio, medicină și știința fundamentală este mare. Un exemplu de proces tipic oscilator în fiziologie este mișcarea mușchiului inimii. Oscilațiile mecanice se regăsesc în chimia organică și anorganică, în meteorologie, dar și în multe alte științe naturale.

Primele studii ale pendulului matematic s-au desfășurat în secolul al XVII-lea și, până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au reușit să stabilească natura oscilațiilor electromagnetice. Omul de știință rus Alexander Popov, considerat "tatăl" comunicațiilor radio, și-a desfășurat experimentele pe baza teoriei oscilațiilor electromagnetice, a rezultatelor investigațiilor lui Thomson, Huygens și Rayleigh. A reușit să găsească o aplicație practică a oscilațiilor electromagnetice, să le folosească pentru a transmite un semnal radio pe o distanță lungă.

Academicianul PN Lebedev a desfășurat de mai mulți ani experimente legate de obținerea oscilațiilor electromagnetice de înaltă frecvență prin intermediul câmpurilor electrice diferite. Datorită numeroaselor experimente legate de diverse tipuri de oscilații, oamenii de știință au reușit să găsească domenii ale utilizării optime în știința și tehnologia modernă.