Füüsikas on erinevat tüüpi võnkumisi, mida iseloomustavad teatud parameetrid. Mõelge nende peamistele erinevustele, klassifitseerimisele erinevate tegurite järgi.
Põhimääratlused
Fluktuatsiooni all mõeldakse protsessi, kus regulaarsete ajavahemike järel on liikumise põhiomadused samad.
Perioodilised võnked on need, mille puhul põhisuuruste väärtused korduvad korrapäraste ajavahemike järel (võnkeperiood).
Võnkumisprotsesside mitmekesisus
Vaatleme põhifüüsikas esinevate võnkumiste põhitüüpe.
Vaba vibratsioon on selline, mis tekib süsteemis, mis ei allu pärast esialgset lööki välistele muutuvatele mõjudele.
Vaba võnkumise näide on matemaatiline pendel.
Seda tüüpi mehaanilised vibratsioonid, mis tekivad süsteemis välise muutuva jõu toimel.
Klassifikatsiooni omadused
Füüsilise olemuse järgi eristatakse järgmisi võnkuvaid liikumisi:
- mehaaniline;
- termiline;
- elektromagnetiline;
- sega.
Vastav alt keskkonnaga suhtlemise võimalusele
Keskkonnaga interaktsiooni kõikumiste tüübid jagunevad mitmeks rühmaks.
Sundvõnkumised tekivad süsteemis välise perioodilise tegevuse toimel. Seda tüüpi võnkumiste näidetena võime käsitleda käte, lehtede liikumist puudel.
Sundharmooniliste võnkumiste korral võib ilmneda resonants, milles välismõju ja ostsillaatori sageduse võrdsete väärtuste korral amplituudi järsu suurenemisega.
Oma vibratsioonid süsteemis sisejõudude mõjul pärast selle tasakaalust välja viimist. Vaba vibratsiooni lihtsaim versioon on keermele riputatud või vedru külge kinnitatud koormuse liikumine.
Isevõnkumised on tüübid, mille puhul süsteemil on teatud hulk potentsiaalset energiat, mida kasutatakse võnkumiste tekitamiseks. Nende eripäraks on asjaolu, et amplituudi iseloomustavad süsteemi enda omadused, mitte algtingimused.
Juhuslike kõikumiste korral on väliskoormusel juhuslik väärtus.
Võnkuvate liikumiste põhiparameetrid
Kõigil vibratsioonirežiimidel on teatud omadused, mida tuleks eraldi mainida.
Amplituud on maksimaalne kõrvalekalle tasakaaluasendist, kõikuva väärtuse hälve, seda mõõdetakse meetrites.
Periood on ühe täishoo aeg, läbimis kordab süsteemi omadusi, arvutatakse sekundites.
Sageduse määrab võnkumiste arv ajaühikus, see on pöördvõrdeline võnkeperioodiga.
Võnkefaas iseloomustab süsteemi olekut.
Iseloomulik harmoonilistele võnkumistele
Sellist tüüpi võnkumised toimuvad koosinuse või siinuse seaduse järgi. Fourier'l õnnestus kindlaks teha, et mis tahes perioodilist võnkumist saab esitada harmooniliste muutuste summana, laiendades teatud funktsiooni Fourier' jadaks.
Võtke näiteks teatud perioodi ja tsüklilise sagedusega pendlit.
Mis iseloomustab seda tüüpi kõikumisi? Füüsika peab matemaatilist pendlit idealiseeritud süsteemiks, mis koosneb materiaalsest punktist, mis on riputatud kaaluta venimatu niidi külge, võnkub gravitatsiooni mõjul.
Sellistel vibratsioonidel on teatud energiahulk, need on looduses ja tehnikas levinud.
Pikaajalise võnkeliikumise korral muutub selle massikeskme koordinaat ning vahelduvvoolu korral muutub voolu ja pinge väärtus ahelas.
Füüsikalise olemuse järgi on erinevat tüüpi harmoonilisi võnkumisi: elektromagnetilised, mehaanilised jne.
Ebasel teel liikuva sõiduki värisemine toimib sundvõnkumisena.
Peamised erinevused sunnitud ja tasuta vahelkõikumised
Seda tüüpi elektromagnetilised võnkumised erinevad füüsikaliste omaduste poolest. Keskmise takistuse ja hõõrdejõudude olemasolu põhjustavad vabade võnkumiste summutamist. Sundvõnkumiste korral kompenseeritakse energiakaod selle täiendava tarnimisega välisest allikast.
Vedrupendli periood seostab keha massi ja vedru jäikust. Matemaatilise pendli puhul oleneb see keerme pikkusest.
Teadaoleva perioodiga saate arvutada võnkesüsteemi omasageduse.
Tehnoloogias ja looduses esineb kõikumisi erinevate sagedusväärtustega. Näiteks Peterburi Iisaku katedraalis võnkuva pendli sagedus on 0,05 Hz, aatomite puhul aga mitu miljonit megahertsi.
Teatud aja möödudes täheldatakse vabade võnkumiste summutamist. Seetõttu kasutatakse reaalses praktikas sundvõnkumisi. Need on nõudlikud mitmesuguste vibratsioonimasinate järele. Vibrohaamer on löök-vibratsioonimasin, mis on ette nähtud torude, vaiade ja muude metallkonstruktsioonide maasse löömiseks.
Elektromagnetilised võnkumised
Võnkerežiimide iseloomustamine hõlmab peamiste füüsikaliste parameetrite analüüsi: laeng, pinge, voolutugevus. Elementaarsüsteemina, mida kasutatakse elektromagnetiliste võnkumiste vaatlemiseks, on võnkeahel. See moodustatakse mähise ja kondensaatori järjestikuse ühendamisel.
Kui vooluahel on suletud, vaba elektromagnetilinekõikumised, mis on seotud kondensaatori elektrilaengu ja mähise voolu perioodiliste muutustega.
Need on vabad tänu sellele, et nende sooritamisel puudub väline mõju, vaid kasutatakse ainult ahelasse salvestatud energiat.
Kui me loeme pooli takistuseks nulli ja võtame võnkeperioodiks T, siis võime lugeda süsteemi üheks täielikuks võnkumiseks.
Välise mõju puudumisel täheldatakse teatud aja möödudes elektromagnetilise võnkumise sumbumist. Selle nähtuse põhjuseks on kondensaatori järkjärguline tühjenemine, aga ka takistus, mis mähisel tegelikult on.
Seetõttu tekivad reaalses vooluringis summutatud võnkumised. Kondensaatori laengu vähendamine viib energia väärtuse vähenemiseni võrreldes selle algse väärtusega. Järk-järgult vabaneb see soojusena ühendusjuhtmetele ja mähisele, kondensaator tühjeneb täielikult ja elektromagnetiline võnkumine lõpeb.
Teaduse ja tehnoloogia kõikumiste tähtsus
Kõik liigutused, millel on teatud kordusaste, on võnkumised. Näiteks matemaatilist pendlit iseloomustab süstemaatiline kõrvalekalle mõlemas suunas algsest vertikaalasendist.
Vedrupendli puhul vastab üks täispööre selle liikumisele algasendist üles-alla.
Mahtuvuse ja induktiivsusega elektriahelas toimub korduv laadiminekondensaatori plaadid. Mis on võnkuvate liikumiste põhjus? Pendel toimib tänu sellele, et gravitatsioon naaseb selle algsesse asendisse. Vedrumudeli puhul täidab sarnast funktsiooni vedru elastsusjõud. Tasakaaluasendist möödudes on koormus teatud kiirusega, seetõttu liigub see inertsi abil keskmisest olekust mööda.
Elektrilisi võnkumisi saab seletada potentsiaalide erinevusega, mis eksisteerib laetud kondensaatori plaatide vahel. Isegi kui see on täielikult tühjenenud, ei kao vool, vaid see laetakse uuesti.
Kaasaegne tehnoloogia kasutab kõikumisi, mis erinevad oluliselt oma olemuse, kordusastme, olemuse ja ka välimuse "mehhanismi" poolest.
Mehaanilisi vibratsioone tekitavad muusikariistade keelpillid, merelained, pendel. Erinevate interaktsioonide läbiviimisel võetakse arvesse reagentide kontsentratsiooni muutumisega seotud keemilisi kõikumisi.
Elektromagnetilised võnkumised võimaldavad luua erinevaid tehnilisi seadmeid, näiteks telefone, ultraheli meditsiiniseadmeid.
Tsefeidide heleduse kõikumised pakuvad astrofüüsikale erilist huvi ja eri riikide teadlased uurivad neid.
Järeldus
Iga tüüpi võnkumised on tihed alt seotud suure hulga tehniliste protsesside ja füüsikaliste nähtustega. Nende praktiline tähtsus on suur lennukiehituses, laevaehituses, elamukomplekside ehitamises, elektrotehnikas, raadioelektroonikas, meditsiinis ja fundamenta alteaduses. Näide tüüpilisest võnkeprotsessist infüsioloogia soosib südamelihase liikumist. Mehaanilisi vibratsioone leidub orgaanilises ja anorgaanilises keemias, meteoroloogias ja paljudes teistes loodusteadustes.
Esimesed matemaatilise pendli uuringud viidi läbi 17. sajandil ja üheksateistkümnenda sajandi lõpuks suutsid teadlased kindlaks teha elektromagnetiliste võnkumiste olemuse. Raadioside "isaks" peetav vene teadlane Aleksandr Popov viis oma katsed läbi just elektromagnetiliste võnkumiste teooriale, Thomsoni, Huygensi ja Rayleighi uurimistulemustele tuginedes. Tal õnnestus leida praktiline rakendus elektromagnetvõnkumiste jaoks, et kasutada neid raadiosignaali pikamaa edastamiseks.
Akadeemik P. N. Lebedev viis aastaid läbi katseid, mis olid seotud kõrgsageduslike elektromagnetiliste võnkumiste tekitamisega vahelduvate elektriväljade abil. Tänu arvukatele katsetele, mis on seotud erinevat tüüpi vibratsiooniga, on teadlastel õnnestunud leida valdkonnad, mida tänapäeva teaduses ja tehnoloogias optimaalselt kasutada.
