Механічні коливання: що це?

Слід приділити час невеликого нарису, присвяченого коливального руху. Але насамперед необхідно відповісти на одне важливе питання. Що розуміють під механічними коливаннями? Під ними розуміють рух, під час якого спостерігається тіло неодноразово займає одні і ті ж положення в просторі.




Фізики розрізняють неперіодичні та періодичні коливання. До перших відносять ті з них, при яких координати і інші характеристики тіла не піддаються опису з допомогою періодичних функцій часу. З другим видом простіше. Періодичні коливання – це ті, які можна описати з допомогою періодичних функцій часу. Але що під ними мають на увазі? В фізики 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:

Залежно від умов виникнення:

Вимушені;

Автоколивання;

Вільні.

В залежності від зміни кінетичної енергії в часі:

Гармонійні;

Пилкоподібні;

Затухаючі.

У статті будуть розглянуті не всі, а тільки деякі типи коливань. Окремо варто сказати про формулах, їх використання та різноманітності. Якщо коротко, то їх багато. Різноманітність, в якому 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 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 необхідно тілу, щоб повторити всі свої рухи, або іншими словами, необхідне для вчинення одного повторення руху. Що розуміють під частотою? Під нею розуміють число, рівне кількості коливань, скоєних за одну одиницю часу. Найчастіше в домашніх, шкільних та університетських дослідах за частоту беруть одну секунду. Циклічна частота часто використовується замість поняття кількості коливань, що сталися за одиницю часу, і передбачає його підрахунок, необхідний на вчинення одного такого циклу.

Механічні гармонічні коливання

Під гармонійними коливаннями маються на увазі ті з них, фізична величина яких, обрана для характеристики, змінюється на часовому інтервалі у вигляді синусоїдальної кривої, яку легко відобразити у графічному режимі. При зміні координати матеріальної точки, згідно з гармонійним законом, імпульс, швидкість і прискорення змінюються теж за нього.

Вільні коливання

Коли коливання здійснюється в системі завдяки первісної енергії, то його називають вільним. В якості практичного відображення такого типу фізичного процесу використовують спеціальні моделі: пружинний і математичний маятники. Вони дозволяють працювати з самими поширеними ситуаціями. В якості математичного маятника приймають точку, що коливається і висить на нерозтяжній і невагомою нитки. Такого пристрою на землі немає. Тому ближче всього до теоретичної моделі знаходиться конструкція, складена з кулі, діаметр (розмір) якого значно менше, ніж довжина нитки. Необхідно провести дії фізичного характеру. Відхиліть така куля від свого початкового положення і відпустіть. І так будь-експериментатор зможе побачити механічні коливання. Період, а також їх частота залежать винятково від параметрів системи: довжини нитки математичного маятника, жорсткості пружини, маси вантажу (важливо для пружинного маятника). Саме з-за цього вільні коливання ще називають власними коливаннями системи. Цілком логічно. А частоту, з якою все відбувається, називають системною.

Перетворення енергії при механічних коливаннях

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 одне омані, популярному серед людей. Коли досягається стан 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 потенційні сили, значення яких не дорівнює нулю. Енергія системи розтрачується за рахунок роботи сил опори, тертя повітря, внутрішніх сил пружини або підвісу. Поступово зменшується амплітуда коливання тіла. Такі коливання називаються затухаючими. 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 інша формулювання. Завдяки зовнішнього 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 здійснює такого виду коливання, є гойдалки, на яких сидить одна людина, а другий його розгойдує. Є один нюанс. Якщо зовнішня сила компенсує втрату енергії в системі безперервно або періодично, без припинення самого процесу коливань, то їх називають незатухающими вимушеними. Про діапазоні 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 частоті коливань. Можливий і інший варіант. У тому випадку, якщо частота впливаючої сили кратна коливань самої системи, на яку вона впливає, теж виникає резонанс. Він графічно зображується? Залежність амплітуд коливання системи від частоти впливаючої сили виражають за допомогою резонансної кривої.

Автоколивання

Своє застосування автоколивання знайшли в техніці. Вони існують там, де незатухаючі коливання підтримуються завдяки джерела енергії, який може автоматично включати і вимикати сама система. У таких випадках можна серйозно розглядати питання присвоєння системі статусу автоколебательной. Чому? Той момент, коли потрібно подавати енергію для коливання, відстежує підсистема, що відповідає за зворотній зв'язок. В залежності від параметрів тіла, вона може чинити вплив сильно і відразу, або потроху і поступово. Вона може відкривати або закривати можливість для надходження енергії в загальну систему. Це її головне завдання. В якості прикладу автоколебательной системи можна згадати маятникові годинники, 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 видом коливань визначаються ті з них, які відбуваються в системах, що періодично змінюють свої параметри. Що можна про них сказати? Єдине, чим визначаються амплітуда і сила коливальної системи, – це її параметри.