Във физиката има различни видове трептения, характеризиращи се с определени параметри. Помислете за основните им разлики, класификация според различни фактори.
Основни дефиниции
Под флуктуация се разбира процес, при който на равни интервали основните характеристики на движението имат еднакви стойности.
Периодичните трептения са тези, при които стойностите на основните величини се повтарят на равни интервали (период на трептене).
Разновидности на осцилаторни процеси
Нека разгледаме основните видове трептения, които съществуват във фундаменталната физика.
Свободните вибрации са тези, които възникват в система, която не е подложена на външни променливи влияния след първоначалния удар.
Пример за свободно трептене е математическо махало.
Тези видове механични вибрации, които възникват в системата под действието на външна променлива сила.
Характеристики на класификация
По физическа природа се разграничават следните типове осцилаторни движения:
- механичен;
- термичен;
- електромагнитни;
- смесено.
Според опцията за взаимодействие със средата
Видове флуктуации във взаимодействието с околната среда са разделени на няколко групи.
В системата се появяват принудителни трептения под действието на външно периодично действие. Като примери за този вид трептене можем да разгледаме движението на ръцете, листата по дърветата.
При принудителни хармонични трептения може да се появи резонанс, при който при равни стойности на честотата на външното въздействие и на осцилатора, с рязко увеличаване на амплитудата.
Собствени вибрации в системата под въздействието на вътрешни сили, след като тя бъде извадена от равновесие. Най-простата версия на свободните вибрации е движението на товар, който е окачен на нишка или прикрепен към пружина.
Самоосцилациите са видове, при които системата има определено количество потенциална енергия, използвана за извършване на трептения. Тяхната отличителна черта е фактът, че амплитудата се характеризира със свойствата на самата система, а не от началните условия.
За произволни колебания външният товар има произволна стойност.
Основни параметри на осцилаторните движения
Всички режими на вибрация имат определени характеристики, които трябва да бъдат споменати отделно.
Амплитудата е максималното отклонение от равновесната позиция, отклонението на флуктуираща стойност, измерва се в метри.
Периодът е времето на един пълен замах до краякойто повтаря характеристиките на системата, се изчислява за секунди.
Честотата се определя от броя на трептенията за единица време, тя е обратно пропорционална на периода на трептене.
Фазата на осцилация характеризира състоянието на системата.
Характеристика на хармоничните трептения
Такива типове трептения възникват според закона на косинуса или синуса. Фурие успява да установи, че всяко периодично трептене може да бъде представено като сума от хармонични промени чрез разширяване на определена функция в серия на Фурие.
Като пример, разгледайте махало с определен период и циклична честота.
Какво характеризира тези видове колебания? Физиката смята математическото махало за идеализирана система, която се състои от материална точка, която е окачена на безтегловна неразтеглива нишка, осцилира под въздействието на гравитацията.
Такива видове вибрации имат определено количество енергия, те са често срещани в природата и технологиите.
При продължително осцилаторно движение координатата на неговия център на маса се променя, а при променлив ток стойността на тока и напрежението във веригата се променя.
Има различни видове хармонични трептения по физическо естество: електромагнитни, механични и др.
Разклащането на превозно средство, което се движи по неравен път, действа като принудително трептене.
Основни разлики между принудително и безплатноколебания
Тези видове електромагнитни трептения се различават по физически характеристики. Наличието на средно съпротивление и сили на триене водят до затихване на свободните трептения. В случай на принудителни трептения загубите на енергия се компенсират от допълнителното й подаване от външен източник.
Периодът на пружинното махало свързва масата на тялото и коравината на пружината. В случай на математическо махало, това зависи от дължината на нишката.
С известен период можете да изчислите естествената честота на осцилаторната система.
В технологията и природата има флуктуации с различни честотни стойности. Например махалото, което трепти в Исакиевския събор в Санкт Петербург има честота 0,05 Hz, докато за атомите тя е няколко милиона мегахерца.
След определен период от време се наблюдава затихване на свободните трептения. Ето защо в реалната практика се използват принудителни трептения. Те са търсени в различни вибрационни машини. Вибрационният чук е ударно-вибрационна машина, която е предназначена за забиване на тръби, пилоти и други метални конструкции в земята.
Електромагнитни трептения
Характеризирането на режимите на трептене включва анализ на основните физически параметри: заряд, напрежение, сила на тока. Като елементарна система, която се използва за наблюдение на електромагнитни трептения, е осцилаторната верига. Той се образува чрез последователно свързване на намотка и кондензатор.
Когато веригата е затворена, свободен електромагнитфлуктуации, свързани с периодични промени в електрическия заряд на кондензатора и тока в бобината.
Те са безплатни поради факта, че когато се изпълняват няма външно влияние, а се използва само енергията, съхранявана в самата верига.
Ако считаме съпротивлението на бобината за нула и приемем периода на трептене като T, можем да разгледаме едно пълно трептене, направено от системата.
При липса на външно влияние след определен период от време се наблюдава затихване на електромагнитното трептене. Причината за това явление ще бъде постепенното разреждане на кондензатора, както и съпротивлението, което действително има бобината.
Ето защо в реална верига възникват затихващи трептения. Намаляването на заряда на кондензатора води до намаляване на енергийната стойност в сравнение с първоначалната му стойност. Постепенно той ще се отдели като топлина върху свързващите проводници и бобина, кондензаторът ще бъде напълно разреден и електромагнитното трептене ще бъде завършено.
Значението на колебанията в науката и технологиите
Всяко движение, което има определена степен на повторение, е трептене. Например, математическо махало се характеризира със систематично отклонение в двете посоки от първоначалното вертикално положение.
За пружинно махало един пълен замах съответства на движението му нагоре и надолу от първоначалната позиция.
В електрическа верига, която има капацитет и индуктивност, има повторение на заряда накондензаторни пластини. Каква е причината за осцилаторните движения? Махалото функционира поради факта, че гравитацията го кара да се върне в първоначалното си положение. При модел с пружина подобна функция изпълнява еластичната сила на пружината. Преминавайки равновесното положение, товарът има определена скорост, следователно по инерция се движи покрай средното състояние.
Електрическите трептения могат да се обяснят с потенциалната разлика, която съществува между плочите на зареден кондензатор. Дори когато е напълно разреден, токът не изчезва, той се зарежда.
Съвременната технология използва флуктуации, които се различават значително по своето естество, степен на повторение, естество, а също и "механизъм" на външния вид.
Механичните вибрации се правят от струни на музикални инструменти, морски вълни, махало. Химическите флуктуации, свързани с промяна в концентрацията на реагентите, се вземат предвид при провеждане на различни взаимодействия.
Електромагнитните осцилации позволяват създаването на различни технически устройства, като телефони, ултразвукови медицински устройства.
Флуктуациите на яркостта на цефеидите представляват особен интерес в астрофизика и учени от различни страни ги изучават.
Заключение
Всички видове трептения са тясно свързани с огромен брой технически процеси и физически явления. Тяхното практическо значение е голямо в самолетостроенето, корабостроенето, строителството на жилищни комплекси, електротехниката, радиоелектрониката, медицината, фундаменталната наука. Пример за типичен осцилаторен процес вфизиологията благоприятства движението на сърдечния мускул. Механичните вибрации се срещат в органичната и неорганичната химия, метеорологията и много други природни науки.
Първите изследвания на математическото махало са извършени през седемнадесети век, а до края на деветнадесети век учените успяват да установят естеството на електромагнитните трептения. Руският учен Александър Попов, който се смята за "баща" на радиокомуникациите, провежда експериментите си именно въз основа на теорията за електромагнитните трептения, резултатите от изследванията на Томсън, Хюйгенс и Рейли. Той успява да намери практическо приложение на електромагнитните трептения, да ги използва за предаване на радиосигнал на голямо разстояние.
Академик П. Н. Лебедев в продължение на много години провежда експерименти, свързани с производството на високочестотни електромагнитни трептения, използвайки променливи електрически полета. Благодарение на множество експерименти, свързани с различни видове вибрации, учените са успели да намерят области за оптималното им използване в съвременната наука и технологии.
