Druhy kmitání ve fyzice a jejich charakteristiky

Existují různé typy kmitání ve fyzice, které jsou charakterizovány určitými parametry. Uvažujme o jejich hlavních rozdílech, klasifikaci různými faktory.

Základní definice

Oscilace znamená proces, v němž mají pravidelné intervaly základní hodnoty pohybu stejné hodnoty.

Periodicky nazývané takové kmity, ve kterých se hodnoty základních veličin opakují ve stejných časových intervalech (oscilační období).

Odrůdy oscilačních procesů

Zvažme hlavní typy kmitání, které existují v základní fyzice.

Volné vibrace se nazývají kmity, které se vyskytují v systému, který po počátečním šoku nepodléhá vnějším variabilním vlivům.

Příkladem volných kmitů je matematické kyvadlo.

Ty druhy mechanických oscilací, které vznikají v systému působením vnější proměnné síly.

Funkce klasifikace

Následující typy oscilačních pohybů se vyznačují fyzickou povahou:

• mechanické;
• tepelné;
• elektromagnetické;
• smíšené.

Podle varianty interakce s prostředím

Druhy vibrací v interakci s prostředím rozlišují několik skupin.

Nucené oscilace se v systému vyskytují v důsledku působení externího periodického opatření. Jako příklady tohoto typu vibrací lze uvažovat o pohybu rukou, listů na stromech.

U nucených harmonických kmitů může dojít k rezonanci, při níž se pro stejné hodnoty frekvence vnější akce a oscilátoru s prudkým nárůstem amplitudy.

Vlastní oscilace v systému pod vlivem vnitřních sil po jeho odstranění z rovnovážného stavu. Nejjednodušší verzí volných kmitů je pohyb zatížení, které je zavěšené na závitu nebo je připevněno k pružině.

Vlastní oscilace se týká druhů, u kterých má systém určitou rezervu potenciální energie, která vede k oscilacím. Charakteristickým znakem je skutečnost, že amplituda je charakterizována vlastnostmi samotného systému a nikoli původními podmínkami.

Pro náhodné oscilace má vnější zatížení náhodnou hodnotu.

Základní parametry oscilačních pohybů

Všechny typy kmitů mají určité charakteristiky, které je třeba uvádět odděleně.

Amplituda je maximální odchylka od rovnovážné polohy, odchylka oscilačního množství měřená v metrech.

Doba je doba jedné úplné oscilace, kterou se opakují charakteristiky systému, počítáno v sekundách.

Frekvence je určena počtem kmitů za jednotku času, je nepřímo úměrná periodě oscilace.

Fáze oscilace charakterizuje stav systému.

Charakteristika harmonických kmitů

Takové typy kmitů se vyskytují podle zákona kosinusu nebo sinusu. Fourier uspěl v tom, že jakákoli periodická kmitání může být reprezentována jako součet harmonických změn rozšířením určité funkce v Fourierovy řady.

Jako příklad můžeme uvést kyvadlo s určitou periodou a cyklickou četností.

Jaké jsou charakteristiky těchto druhů oscilací? Fyzika zvažuje matematické kyvadlo idealizovaný systém, který se skládá z hmotného bodu, který je zavěšen na nevýtažném niti bez tahu, osciluje pod vlivem gravitace.

Tyto druhy oscilací mají určité množství energie, jsou běžné v přírodě a technologii.

S plynulým oscilačním pohybem se změní souřadnice jeho středu hmotnosti a při střídavém proudu se změní hodnota proudu a napětí v obvodu.

Přidělit různé typy harmonických kmitů ve fyzické povaze: elektromagnetické, mechanické atd.

Jako nucené výkyvy se objevuje třást vozu, který se pohybuje po nerovné cestě.

Hlavní rozdíly mezi nucenými a volnými kmity

Tyto typy elektromagnetických oscilací se liší podle jejich fyzikálních vlastností. Přítomnost odporu média a třecí síly vedou k oslabení volných kmitů. V případě nucených kmitů jsou energetické ztráty kompenzovány jeho dodatečným příjmem z vnějšího zdroje.

Doba pružinového kyvadla váže tělesnou hmotnost a tuhost pružiny. V případě matematického kyvadla závisí na délce vlákna.

Pro známé období lze vypočítat přirozenou frekvenci oscilačního systému.

V technologii a přírodě existují oscilace s různými frekvencemi. Například kyvadlo, které osciluje v katedrále sv. Izáka v Petrohradě, má frekvenci 0,05 Hz a pro atomy je několik milionů megahertzů.

Po určité době se pozoruje tlumení volných kmitů. To je důvod, proč nucené oscilace jsou používány ve skutečné praxi. Jsou požadovány v různých vibračních strojích. Vibro-hammer je vibrační stroj, který je určen k tomu, aby se do země dostaly potrubí, hromady a další kovové konstrukce.

Elektromagnetické oscilace

Charakterizace módu kmitání zahrnuje analýzu základních fyzických parametrů: náboj, napětí, proud. Jako základní systém, který se používá k pozorování elektromagnetických kmitů, je oscilační obvod. Je tvořen sériovým zapojením cívky a kondenzátoru.

Když je obvod uzavřen, v něm vznikají volné elektromagnetické kmity spojené s periodickými změnami elektrického náboje na kondenzátoru a proudu v cívce.

Jsou svobodné díky tomu, že když jsou spáchány, neexistuje žádný vnější vliv a používá se pouze energie, která je uložena v samotném okruhu.

Pokud předpokládáme, že odpor cívky je nulový a doba oscilace je považována za T, můžeme uvažovat o úplné oscilaci systému.

Při nepřítomnosti vnějšího vlivu se po určitém časovém úseku pozoruje tlumení elektromagnetické oscilace. Důvodem tohoto jevu je postupné vypouštění kondenzátoru, stejně jako odpor, který má cívka skutečně.

Proto se v reálném obvodu vyskytují tlumené kmity. Snížením náboje na kondenzátoru dochází ke snížení energetické hodnoty oproti původní hodnotě. Postupně se oddělí ve formě tepla na připojovacích vodičích a cívce, kondenzátor bude zcela vybit a elektromagnetická kmitace bude ukončena.

Význam výkyvů ve vědě a technologii

Jakékoliv pohyby, které mají určitý stupeň opakování, jsou kmity. Například matematické kyvadlo je charakterizováno systematickou odchylkou od obou stran původní vertikální polohy.

U pružinového kyvadla jedna úplná oscilace odpovídá jeho pohybu nahoru a dolů z původní polohy.

V elektrickém obvodu, který má kapacitu a indukčnost, se na kondenzátorových deskách objevuje náboj. Jaká je příčina vibračních pohybů? Kyvadlo funguje, protože gravitace ho nutí k návratu do původní polohy. U pružinového typu je podobná síla vyvíjena elastickou silou pružiny. Při předávání rovnováhy má zatížení určitou rychlost, a proto setrvačností se pohybuje kolem průměru.

Elektrické oscilace lze vysvětlit potenciálním rozdílem mezi deskami nabitého kondenzátoru. I při úplném vybití proud nezmizí a nabíjení se nabije.

V moderních technologiích se používají oscilace, které se podstatně liší povahou, stupněm opakování, charakterem a také "mechanismem" vzhledu.

Mechanické vibrace dělají struny hudebních nástrojů, mořské vlny, kyvadlo. Při provádění různých interakcí se berou v úvahu chemické fluktuace spojené se změnou koncentrace reakčních látek.

Elektromagnetické kmity umožňují vytváření různých technických zařízení, například telefonů, ultrazvukových zdravotnických prostředků.

Kolísání jasu cepheidů je zvláště zajímavé v astrofyziky a vědci z různých zemí se zabývají jejich studiem.

Závěr

Všechny druhy oscilací jsou úzce spjaty s obrovským počtem technických procesů a fyzikálních jevů. Jejich praktický význam v budování letadel, stavba lodí, výstavba obytných komplexů, elektrotechnika, rozhlasová elektronika, medicína a základní věda je skvělá. Příkladem typického oscilačního procesu ve fyziologii je pohyb srdečního svalu. Mechanické oscilace se nacházejí v organické a anorganické chemii, meteorologii a také v mnoha dalších přírodních vědách.

První studie matematického kyvadla byla provedena v sedmnáctém století a koncem devatenáctého století vědci dokázali zjistit povahu elektromagnetických oscilací. Ruský vědec Alexander Popov, který je považován za "otce" radiokomunikace, provedl své experimenty právě na základě teorie elektromagnetických kmitů, výsledků vyšetřování Thomsona, Huygensa a Rayleigha. Podařilo se mu najít praktickou aplikaci elektromagnetických kmitů, které je používají k vysílání rádiového signálu na dlouhou vzdálenost.

Akademik PN Lebedev po mnoho let prováděl experimenty týkající se získávání elektromagnetických kmitů vysoké frekvence pomocí různých elektrických polí. Díky mnoha experimentům spojeným s různými typy oscilací se vědci podařilo nalézt oblasti optimálního využití v moderních vědách a technologiích.