Igapäevaelus puutub inimene pidev alt kokku võnkuva liikumise ilmingutega. See on pendli kõikumine kellas, auto vedrude ja kogu auto vibratsioon. Isegi maavärin pole midagi muud kui maakoore vibratsioon. Kõrghooned kõiguvad ka tugevatest tuuleiilidest. Proovime välja mõelda, kuidas füüsika seda nähtust seletab.
Pendel kui võnkesüsteem
Võnkuva liikumise kõige ilmsem näide on seinakella pendel. Pendli läbimist vasakpoolsest kõrgeimast punktist paremal asuvasse kõrgeimasse punkti nimetatakse pendli täiskäiguks. Ühe sellise täieliku võnkumise perioodi nimetatakse perimeetriks. Võnkesagedus on võnkumiste arv sekundis.
Võnkumiste uurimiseks kasutatakse lihtsat niidipendlit, mille valmistamiseks riputatakse keermele väike metallkuul. Kui kujutame ette, et kuul on materiaalne punkt ja niidil puudub absoluutmasspaindlikkus ja hõõrdumise puudumine, saate teoreetilise, nn matemaatilise pendli.
Sellise "ideaalse" pendli võnkeperioodi saab arvutada järgmise valemi abil:
T=2π √ l / g, kus l on pendli pikkus, g on vabalangemise kiirendus.
Valem näitab, et pendli võnkeperiood ei sõltu selle massist ega arvesta tasakaaluasendist kõrvalekaldumise nurka.
Energia muundamine
Milline on pendli liikumise mehhanism, mis korduvad teatud perioodiga isegi lõpmatuseni, kui poleks hõõrde- ja takistusjõude, mille ületamiseks on vaja teatud tööd?
Pendel hakkab võnkuma tänu sellele antavale energiale. Hetkel, mil pendel on vertikaalasendist ära võetud, anname sellele teatud koguse potentsiaalset energiat. Kui pendel liigub oma ülemisest punktist algasendisse, muundatakse potentsiaalne energia kineetiliseks energiaks. Sel juhul muutub pendli kiirus suurimaks, kuna kiirendust tekitav jõud väheneb. Tulenev alt asjaolust, et algasendis on pendli kiirus suurim, ei peatu see, vaid liigub inertsist mööda ringjoont edasi täpselt samale kõrgusele, millelt ta laskus. Nii muundub energia võnkeliikumise ajal potentsiaalilt kineetiliseks.
Pendi kõrgus võrdub selle langetamise kõrgusega. Galileo jõudis sellele järeldusele katse ajal pendliga, mis sai hiljem tema järgi nime.
Pendli hoovõtt on energia jäävuse seaduse vaieldamatu näide. Ja neid nimetatakse harmoonilisteks vibratsioonideks.
Siinuslaine ja faas
Mis on harmooniline võnkuv liikumine. Sellise liikumise põhimõtte nägemiseks saate läbi viia järgmise katse. Riputame risttalale lehtri liivaga. Selle alla paneme paberilehe, mida saab lehtri kõikumiste suhtes risti nihutada. Kui lehter on liikuma pandud, nihutame paberit.
Tulemuseks on liivaga kirjutatud lainerijoon – sinusoid. Neid siinuse seaduse kohaselt toimuvaid võnkumisi nimetatakse siinusekujulisteks või harmoonilisteks. Selliste kõikumiste korral muutub iga liikumist iseloomustav suurus vastav alt siinuse või koosinuse seadusele.
Uurides kartongile tekkinud sinusoidi, võib tõdeda, et liiv on liivakiht oma erinevates ja erineva paksusega lõikudes: sinusoidi ülaosas või süvendis oli see kõige tihedam alt kuhjatud. See viitab sellele, et nendes punktides oli pendli kiirus kõige väiksem või pigem null nendes punktides, kus pendel pööras oma liikumist vastupidiseks.
Faasi mõiste mängib võnkumiste uurimisel tohutut rolli. Vene keelde tõlgituna tähendab see sõna "ilmingut". Füüsikas on faas perioodilise protsessi konkreetne etapp, st koht sinusoidil, kus pendel hetkel asub.
Kõhklused vabal teel
Kui võnkesüsteemile antakse liikumine ja see peatataksemis tahes jõudude ja energiate mõju, siis nimetatakse sellise süsteemi võnkumisi vabaks. Omaette jäetud pendli võnkumised hakkavad tasapisi hääbuma, amplituud väheneb. Pendli liikumine pole mitte ainult muutuv (alt kiirem ja üleval aeglasem), vaid ka mitte ühtlaselt muutuv.
Harmooniliste võnkumiste korral muutub pendli kiirenduse andev jõud nõrgemaks tasakaalupunktist kõrvalekaldumise hulga vähenemisega. Jõu ja läbipaindekauguse vahel on proportsionaalne seos. Seetõttu nimetatakse selliseid vibratsioone harmoonilisteks, mille puhul tasakaalupunktist kõrvalekaldumise nurk ei ületa kümmet kraadi.
Sunnitud liikumine ja resonants
Praktiliseks rakendamiseks inseneritöös ei tohi vibratsioonil langeda, andes võnkesüsteemile välise jõu. Kui võnkuv liikumine toimub välise mõju all, nimetatakse seda sunnitud. Sundvõnkumised tekivad sellise sagedusega, nagu välismõju need seab. Toimiva välisjõu sagedus võib, aga ei pruugi ühtida pendli loomulike võnkumiste sagedusega. Kokkulangemisel võnkumiste amplituud suureneb. Sellise tõusu näiteks on kiik, mis tõuseb kõrgemale, kui annate neile liikumise ajal kiirenduse, tabades nende enda liigutuse lööki.
Seda nähtust füüsikas nimetatakse resonantsiks ja sellel on praktiliste rakenduste jaoks suur tähtsus. Näiteks raadiovastuvõtja häälestamisel soovitud lainele viiakse see vastava raadiojaamaga resonantsi. Resonantsi nähtusel on ka negatiivsed tagajärjed,mis viib hoonete ja sildade hävimiseni.
Isemajandavad süsteemid
Peale sunnitud ja vaba vibratsiooni on ka isevõnkumisi. Need tekivad võnkesüsteemi enda sagedusega, kui nad puutuvad kokku konstantse, mitte muutuva jõuga. Isevõnkumiste näiteks on kell, milles pendli liikumine tagatakse ja hoitakse vedru lahti kerimise või koormuse langetamise teel. Viiulit mängides langevad keelpillide loomulikud vibratsioonid kokku poogna mõjul tekkiva jõuga ja tekib teatud tonaalsusega heli.
Võnkusüsteemid on mitmekesised ning neis toimuvate protsesside uurimine praktilistes katsetes on huvitav ja informatiivne. Võnkuva liikumise praktiline rakendamine igapäevaelus, teaduses ja tehnoloogias on mitmekülgne ja hädavajalik: alates kiiged kuni rakettmootorite tootmiseni.
