В ежедневието човек постоянно се сблъсква с прояви на осцилаторно движение. Това е люлеенето на махалото в часовника, вибрациите на автомобилните пружини и цялата кола. Дори земетресението не е нищо друго освен вибрации на земната кора. Високите сгради също се люлеят от силни пориви на вятъра. Нека се опитаме да разберем как физиката обяснява този феномен.
Махалото като осцилаторна система
Най-очевидният пример за осцилаторно движение е махалото на стенния часовник. Преминаването на махалото от най-високата точка вляво до най-високата точка вдясно се нарича неговото пълно завъртане. Периодът на едно такова пълно трептене се нарича периметър. Честотата на трептене е броят на трептения в секунда.
За изследване на трептенията се използва обикновено махало с нишка, което се прави чрез окачване на малка метална топка на конец. Ако си представим, че топката е материална точка и нишката няма маса в абсолютгъвкавост и липса на триене, получавате теоретично, така нареченото математическо махало.
Периодът на трептене на такова "идеално" махало може да се изчисли по формулата:
T=2π √ l / g, където l е дължината на махалото, g е ускорението на свободно падане.
Формулата показва, че периодът на трептене на махалото не зависи от неговата маса и не отчита ъгъла на отклонение от положението на равновесието.
Трансформация на енергия
Какъв е механизмът на движенията на махалото, повтарящи се с определен период дори до безкрайност, ако нямаше сили на триене и съпротивление, за преодоляване на които е необходима определена работа?
Махалото започва да трепти поради предадената му енергия. В момента, в който махалото се отдалечи от вертикалното положение, ние му даваме определено количество потенциална енергия. Когато махалото се движи от горната си точка до първоначалното си положение, потенциалната енергия се преобразува в кинетична енергия. В този случай скоростта на махалото ще стане най-голяма, тъй като силата, придаваща ускорение, намалява. Поради факта, че в първоначалното положение скоростта на махалото е най-голяма, то не спира, а по инерция се движи по-нататък по дъгата на окръжност до точно същата височина като тази, от която е слязло. Ето как енергията се преобразува по време на осцилаторно движение от потенциално в кинетично.
Височината на махалото е равна на височината на неговото спускане. Галилей стига до това заключение, докато провежда експеримент с махало, наречено по-късно на негово име.
Замахът на махалото е безспорен пример за закона за запазване на енергията. И те се наричат хармонични вибрации.
Синусоидална вълна и фаза
Какво е хармонично осцилаторно движение. За да видите принципа на такова движение, можете да проведете следния експеримент. Окачваме фуния с пясък на напречната греда. Под него поставяме лист хартия, който може да бъде изместен перпендикулярно на колебанията на фунията. След като пуснем фунията в движение, преместваме хартията.
Резултатът е вълнообразна линия, написана на пясък - синусоида. Тези трептения, възникващи в съответствие със закона на синуса, се наричат синусоидални или хармонични. При такива флуктуации всяка величина, характеризираща движението, ще се промени според закона на синуса или косинуса.
След като разгледахме синусоидата, образувана върху картона, може да се отбележи, че пясъкът е слой пясък в различните му участъци с различна дебелина: в горната част или в долната част на синусоидата, той е най-гъсто натрупан. Това предполага, че в тези точки скоростта на махалото е била най-малката, или по-скоро нула, в онези точки, където махалото е обърнало движението си.
Концепцията за фаза играе огромна роля в изучаването на трептенията. В превод на руски тази дума означава "проявление". Във физиката фазата е специфичен етап от периодичен процес, тоест мястото на синусоидата, където в момента се намира махалото.
Колебания на свобода
Ако на осцилаторната система се даде движение и след това спревлиянието на всякакви сили и енергии, тогава трептенията на такава система ще бъдат наречени свободни. Трептенията на махалото, което е оставено само на себе си, постепенно ще започнат да избледняват, амплитудата ще намалява. Движението на махалото е не само променливо (по-бързо отдолу и по-бавно в горната част), но също така не е равномерно променливо.
При хармонични трептения силата, която дава ускорение на махалото, става по-слаба с намаляване на размера на отклонението от точката на равновесие. Съществува пропорционална връзка между силата и разстоянието на отклонение. Следователно такива вибрации се наричат хармонични, при които ъгълът на отклонение от точката на равновесие не надвишава десет градуса.
Принудително движение и резонанс
За практическо приложение в инженерството, вибрациите не могат да се разпадат, придавайки външна сила на осцилиращата система. Ако осцилаторното движение възниква под външно въздействие, то се нарича принудително. Принудителните трептения възникват с честотата, която ги задава външно въздействие. Честотата на действащата външна сила може или не може да съвпада с честотата на собствените трептения на махалото. При съвпадение амплитудата на трептенията се увеличава. Пример за такова увеличение е замах, който излита по-високо, ако по време на движение им дадете ускорение, удряйки ритъма на собственото им движение.
Това явление във физиката се нарича резонанс и е от голямо значение за практически приложения. Например, когато настройвате радиоприемник към желаната вълна, той се въвежда в резонанс със съответната радиостанция. Феноменът резонанс също има отрицателни последици,водещи до разрушаване на сгради и мостове.
Самодостатъчни системи
Освен принудителни и свободни вибрации има и собствени трептения. Те се появяват с честотата на самата трептяща система, когато са изложени на постоянна, а не на променлива сила. Пример за собствени трептения е часовник, движението на махалото в който се осигурява и поддържа чрез развиване на пружината или спускане на товара. При свирене на цигулка естествените вибрации на струните съвпадат със силата, произтичаща от влиянието на лъка, и се появява звук с определен тоналност.
Оцилаторните системи са разнообразни и изучаването на протичащите в тях процеси в практически експерименти е интересно и информативно. Практическото приложение на осцилаторното движение в ежедневния живот, науката и технологиите е разнообразно и незаменимо: от люлки за люлки до производството на ракетни двигатели.
