Looduslikud vibratsioonid on protsessid, mida iseloomustab teatav korratavus. Näiteks nende hulka kuuluvad kella pendli liikumine, kitarri keel, häälekahvli jalad, südame tegevus.
Mehaaniline vibratsioon
Võttes arvesse füüsikalist olemust, võivad loomulikud võnkumised olla mehaanilised, elektromagnetilised, elektromehaanilised. Vaatame esimest protsessi lähem alt. Loomulikud vibratsioonid tekivad juhtudel, kui puudub täiendav hõõrdumine, välised jõud. Selliseid liikumisi iseloomustab sagedussõltuvus ainult antud süsteemi omadustest.
Harmoonilised protsessid
Need loomulikud võnkumised eeldavad võnkesuuruse muutumist vastav alt koosinus(siinus)seadusele. Analüüsime võnkesüsteemi lihtsaimat vormi, mis koosneb vedrule riputatud kuulist.
Sellisel juhul tasakaalustab gravitatsioon vedru elastsust. Hooke'i seaduse kohaselt on selle vedru pikenemise ja kehale mõjuva jõu vahel otsene seos.
Elastse jõu omadused
Oma elektromagnetilised võnkumised vooluringis on seotud süsteemile avaldatava mõju ulatusega. Elastsusjõud, mis on võrdeline kuuli nihkega tasakaaluasendist, on suunatud tasakaaluolekusse. Kuuli liikumist selle mõju all saab kirjeldada koosinusseadusega.
Loomuliku võnkumise periood määratakse matemaatiliselt.
Vedrupendli puhul ilmneb sõltuvus selle jäikusest, aga ka koormuse massist. Loomuliku võnkumise perioodi saab sel juhul arvutada valemiga.
Energia harmoonilisel võnkumisel
Väärtus on konstantne, kui hõõrdejõud puudub.
Võnkuva liikumise toimumisel toimub kineetilise energia perioodiline muundumine potentsiaalseks väärtuseks.
Summutatud võnkumised
Oma elektromagnetilised võnked võivad tekkida, kui süsteemi ei mõjuta välised jõud. Hõõrdumine aitab kaasa võnkumiste summutamisele, täheldatakse nende amplituudi vähenemist.
Omalike võnkumiste sagedus võnkeahelas on seotud süsteemi omadustega, aga ka kadude intensiivsusega.
Sumbumisteguri suurenemisega täheldatakse võnkeliikumise perioodi pikenemist.
Amplituudide suhe, mis on eraldatud intervalliga, mis võrdub ühe perioodiga, on konstantneväärtust kogu protsessi vältel. Seda suhet nimetatakse summutamise kahanemiseks.
Loomulikke vibratsioone võnkeahelas kirjeldab siinuste (koosinuste) seadus.
Võnkeperiood on kujuteldav suurus. Liikumine on perioodiline. Ilma täiendavate võnkumisteta tasakaaluasendist eemaldatud süsteem naaseb algsesse olekusse. Süsteemi tasakaaluolekusse viimise meetodi määravad selle algtingimused.
Resonants
Ahela loomulike võnkumiste periood määratakse harmoonilise seadusega. Sundvõnkumised tekivad süsteemis perioodiliselt muutuva jõu toimel. Liikumisvõrrandi koostamisel arvestatakse, et lisaks sundivale mõjule on vabade vibratsioonide ajal mõjuvad ka sellised jõud: keskkonna takistus, kvaasielastne jõud.
Resonants on sundvõnkumiste amplituudi järsk tõus, kui edasiviiva jõu sagedus kaldub keha omasagedusele. Kõiki sel juhul tekkivaid vibratsioone nimetatakse resonantsteks.
Sundvõnkumiste amplituudi ja välisjõu vahelise seose selgitamiseks võite kasutada eksperimentaalset seadistust. Vända aeglaselt pöörates liigub vedrule avaldatav koormus üles-alla sarnaselt vedrustuse punktile.
Võnkuahelas saab arvutada oma elektromagnetvõnkumisi ja muid füüsikalisi parameetreidsüsteem.
Kiirema pöörlemise korral võnkumised suurenevad ja kui pöörlemissagedus on võrdne loomulikuga, saavutatakse maksimaalne amplituudi väärtus. Pöörlemissageduse järgneval suurenemisel väheneb analüüsitava koormuse sundvõnkumiste amplituud uuesti.
Resonantskarakteristikud
Käepideme kerge liigutusega ei muuda koorem peaaegu oma asendit. Põhjuseks on vedrupendli inerts, mis ei püsi välisjõuga sammu, mistõttu täheldatakse ainult “värinat paigas”.
Võnkumiste loomulik sagedus vooluringis vastab välistegevuse sageduse amplituudi järsule suurenemisele.
Sellise nähtuse graafikut nimetatakse resonantskõveraks. Seda võib kaaluda ka hõõgniidipendli puhul. Kui riputate siinile massiivse palli, aga ka hulga erineva keermepikkusega kergeid pendleid.
Igal neil pendlitel on oma võnkesagedus, mille saab määrata vabalangemise kiirenduse, keerme pikkuse põhjal.
Kui pall viiakse tasakaalust välja, jättes kerge pendli liikumata, ja seejärel vabastatakse, põhjustavad selle kõikumised rööpa perioodilise paindumise. See põhjustab perioodiliselt muutuva elastsusjõu mõju kergetele pendlitele, pannes need sooritama sundvõnkumisi. Järk-järgult on neil kõigil võrdne amplituud, mis on resonants.
Seda nähtust võib näha ka metronoomi puhul, mille põhi on ühendatudniit pendli teljega. Sel juhul kõigub see maksimaalse amplituudiga, siis vastab stringi "tõmbava" pendli sagedus selle vabade võnkumiste sagedusele.
Resonants tekib siis, kui väline jõud, mis toimib ajas vabade vibratsioonidega, töötab positiivse väärtusega. See toob kaasa võnkuva liikumise amplituudi suurenemise.
Lisaks positiivsele mõjule täidab resonantsnähtus sageli ka negatiivset funktsiooni. Näiteks kui kella keel kõigub, on heli tekitamiseks oluline, et köis mõjuks õigeaegselt keele vabade võnkuvate liigutustega.
Resonantsi rakendamine
Poolsagedusmõõturi töö põhineb resonantsil. Seade on esitatud erineva pikkusega elastsete plaatidena, mis on kinnitatud ühele ühisele alusele.
Sagedusmõõturi kokkupuutel võnkesüsteemiga, mille sagedus on vaja määrata, võngub see plaat, mille sagedus on võrdne mõõdetavaga, maksimaalse amplituudiga. Pärast plaatina sisestamist resonantsi saate arvutada võnkesüsteemi sageduse.
Kaheksateistkümnendal sajandil, mitte kaugel Prantsusmaa linnast Angers'ist, liikus sõdurite salk sammuga mööda kettsilda, mille pikkus oli 102 meetrit. Nende sammude sagedus omandas väärtuse, mis on võrdne silla vabade vibratsioonide sagedusega, mis põhjustas resonantsi. See põhjustas kettide purunemise ja rippsilla kokkuvarisemise.
1906. aastal hävis samal põhjusel Peterburis Egiptuse sild, mida mööda liikus ratsaväe eskadrill. Selliste ebameeldivate nähtuste vältimiseks nüüd koossilla ületamisel lähevad väeosad vabas tempos.
Elektromagnetilised nähtused
Need on omavahel seotud magnet- ja elektriväljade kõikumised.
Oma elektromagnetilised võnkumised vooluringis tekivad siis, kui süsteem viiakse tasakaalust välja, näiteks kondensaatorile laengu andmisel muutub voolutugevus ahelas.
Elektromagnetilised võnked ilmnevad erinevates elektriahelates. Sel juhul teostavad võnkuvat liikumist voolutugevus, pinge, laeng, elektrivälja tugevus, magnetinduktsioon ja muud elektrodünaamilised suurused.
Neid võib pidada summutatud võnkudeks, kuna süsteemile antav energia läheb soojuseks.
Sundlikud elektromagnetvõnkumised on ahelas toimuvad protsessid, mis on põhjustatud perioodiliselt muutuvast välisest sinusoidaalsest elektromotoorjõust.
Selliseid protsesse kirjeldavad samad seadused, mis mehaaniliste vibratsioonide puhul, kuid neil on täiesti erinev füüsikaline olemus. Elektrinähtused on võimsuse, pinge ja vahelduvvooluga elektromagnetiliste protsesside erijuht.
Võnkuahel
See on elektriahel, mis koosneb järjestikku ühendatud induktiivpoolist, teatud mahtuvusega kondensaatorist, takistustakistist.
Kui võnkeahel on stabiilses tasakaaluseisundis, ei ole kondensaatoril laengut ja läbi mähise ei voola elektrivool.
Peamiste funktsioonide hulgaselektromagnetilised võnked märgivad tsüklilist sagedust, mis on laengu teine tuletis aja suhtes. Elektromagnetiliste võnkumiste faas on harmooniline suurus, mida kirjeldab siinuse (koosinuse) seadus.
Periood võnkeahelas määratakse Thomsoni valemiga, sõltub kondensaatori mahtuvusest, samuti mähise induktiivsuse väärtusest vooluga. Vooluring vooluringis muutub vastav alt siinuse seadusele, nii et saate määrata teatud elektromagnetlaine faasinihke.
Vahelduvvool
Kaadris, mis pöörleb konstantse nurkkiirusega ühtlases magnetväljas ja teatud induktsiooniväärtusega, määratakse harmooniline EMF. Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt määratakse need magnetvoo muutusega, see on sinusoidaalne väärtus.
Kui võnkeahelaga on ühendatud väline elektromagnetväljade allikas, tekivad selle sees sundvõnked, mis esinevad tsüklilise sagedusega ώ, mis on väärtuselt võrdne allika enda sagedusega. Need on summutamata liikumised, kuna laengu tegemisel ilmneb potentsiaalide erinevus, vooluringis tekib vool ja muud füüsikalised suurused. See põhjustab pinge ja voolu harmoonilisi muutusi, mida nimetatakse pulseerivateks füüsikalisteks suurusteks.
Väärtus 50 Hz on võetud vahelduvvoolu tööstuslikuks sageduseks. Vahelduvvoolujuhi läbimisel eralduva soojushulga arvutamiseks ei kasutata maksimaalseid võimsuse väärtusi, kuna see saavutatakse ainult teatud ajaperioodidel. Sellistel eesmärkidel rakendagekeskmine võimsus, mis on kogu analüüsitud perioodi jooksul ahelat läbiva energia suhe selle väärtusesse.
Vahelduvvoolu väärtus vastab konstandile, mis eraldab perioodi jooksul sama palju soojust kui vahelduvvool.
Transformer
See on seade, mis suurendab või vähendab pinget ilma märkimisväärse elektrienergia kadumiseta. See disain koosneb mitmest plaadist, millele on kinnitatud kaks traadi mähistega mähist. Primaar on ühendatud vahelduvpingeallikaga ja sekundaar on ühendatud elektrienergiat tarbivate seadmetega. Sellise seadme puhul eristatakse teisendussuhet. Astmelise trafo puhul on see väiksem kui üks ja astmelise trafo puhul kipub see olema 1.
Automaatsed võnkumised
Neid nimetatakse süsteemideks, mis reguleerivad automaatselt välisest allikast pärit energiavarustust. Neis toimuvaid protsesse peetakse perioodilisteks summutamatuteks (isevõnkuvateks) tegevusteks. Selliste süsteemide hulka kuuluvad elektromagnetiliste interaktsioonide torugeneraator, kell, kell.
On ka juhtumeid, kus erinevad kehad osalevad samaaegselt erisuunalistes võnkumistes.
Kui liita kokku sellised võrdse amplituudiga liikumised, saad suurema amplituudiga harmoonilise võnke.
Vastav alt Fourier' teoreemile loetakse harmooniliseks spektriks lihtsate võnkesüsteemide kogumit, milleks saab keeruka protsessi lagundada. See näitab kõigi selles sisalduvate lihtsate võnkumiste amplituute ja sagedusiselline süsteem. Kõige sagedamini kajastub spekter graafilisel kujul.
Sagedused on märgitud horisonta alteljele ja selliste võnkumiste amplituudid on näidatud piki ordinaattelge.
Igasuguseid võnkuvaid liikumisi: mehaanilisi, elektromagnetilisi, iseloomustavad teatud füüsikalised suurused.
Esiteks hõlmavad need parameetrid amplituudi, perioodi, sagedust. Iga parameetri jaoks on olemas matemaatilised avaldised, mis võimaldavad teha arvutusi, kvantitatiivselt arvutada soovitud karakteristikud.
