Ikdienā cilvēks pastāvīgi saskaras ar svārstību kustības izpausmēm. Tā ir svārsta šūpošanās pulkstenī, automašīnu atsperu un visas automašīnas vibrācijas. Pat zemestrīce nav nekas cits kā zemes garozas vibrācijas. Arī augstceltnes šūpojas no spēcīgām vēja brāzmām. Mēģināsim izdomāt, kā fizika izskaidro šo parādību.
Svārsts kā svārstību sistēma
Visredzamākais svārstību kustības piemērs ir sienas pulksteņa svārsts. Svārsta pāreju no augstākā punkta kreisajā pusē uz augstāko punktu labajā pusē sauc par tā pilno sparu. Vienas šādas pilnīgas svārstības periodu sauc par perimetru. Svārstību frekvence ir svārstību skaits sekundē.
Svārstību pētīšanai tiek izmantots vienkāršs vītnes svārsts, kuru izgatavo, uzkarinot uz diega nelielu metāla lodīti. Ja iedomājamies, ka lode ir materiāls punkts un pavedienam nav absolūtās masaselastība un berzes trūkums, jūs iegūstat teorētisku, tā saukto matemātisko svārstu.
Šāda "ideāla" svārsta svārstību periodu var aprēķināt, izmantojot formulu:
T=2π √ l/g, kur l ir svārsta garums, g ir brīvā kritiena paātrinājums.
Formula parāda, ka svārsta svārstību periods nav atkarīgs no tā masas un neņem vērā novirzes leņķi no līdzsvara stāvokļa.
Enerģijas transformācija
Kāds ir svārsta kustību mehānisms, kas atkārtojas ar noteiktu periodu pat līdz bezgalībai, ja nebūtu berzes un pretestības spēku, kuru pārvarēšanai nepieciešams noteikts darbs?
Svārsts sāk svārstīties tam piešķirtās enerģijas dēļ. Brīdī, kad svārsts tiek noņemts no vertikālā stāvokļa, mēs tam piešķiram noteiktu potenciālās enerģijas daudzumu. Kad svārsts pārvietojas no augšējā punkta uz sākotnējo stāvokli, potenciālā enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā. Šajā gadījumā svārsta ātrums kļūs vislielākais, jo samazinās spēks, kas rada paātrinājumu. Sakarā ar to, ka sākuma stāvoklī svārsta ātrums ir vislielākais, tas neapstājas, bet pēc inerces virzās tālāk pa apļa loku tieši tādā pašā augstumā, no kura tas nolaidās. Šādi enerģija tiek pārveidota svārstību kustības laikā no potenciālas uz kinētisku.
Svārsta augstums ir vienāds ar tā nolaišanas augstumu. Pie šāda secinājuma Galileo nonāca, veicot eksperimentu ar svārstu, kas vēlāk nosaukts viņa vārdā.
Svārsta šūpošanās ir neapstrīdams enerģijas nezūdamības likuma piemērs. Un tās sauc par harmoniskām vibrācijām.
Sinodovilnis un fāze
Kas ir harmoniskā svārstību kustība. Lai redzētu šādas kustības principu, varat veikt šādu eksperimentu. Uz šķērsstieņa piekarinām piltuvi ar smiltīm. Zem tā ievietojam papīra lapu, kuru var nobīdīt perpendikulāri piltuves svārstībām. Kad piltuve ir iekustināta, mēs pārvietojam papīru.
Rezultāts ir smiltīs rakstīta viļņota līnija – sinusoīds. Šīs svārstības, kas notiek saskaņā ar sinusa likumu, sauc par sinusoidālām vai harmoniskām. Pie šādām svārstībām jebkurš lielums, kas raksturo kustību, mainīsies saskaņā ar sinusa vai kosinusa likumu.
Izpētot uz kartona izveidojušos sinusoīdu, var konstatēt, ka smiltis ir smilšu slānis dažādos tā dažāda biezuma posmos: sinusoīda augšpusē jeb iedobē tās bija visblīvāk sakrājušās. Tas liek domāt, ka šajos punktos svārsta ātrums bija mazākais vai drīzāk nulle tajos punktos, kur svārsts mainīja savu kustību.
Fāzes jēdzienam ir milzīga nozīme svārstību izpētē. Tulkojumā krievu valodā šis vārds nozīmē "izpausme". Fizikā fāze ir noteikts periodiska procesa posms, tas ir, vieta sinusoīdā, kur pašlaik atrodas svārsts.
Vilcināšanās brīvībā
Ja oscilācijas sistēmai tiek dota kustība un pēc tam tā tiek apturētajebkādu spēku un enerģiju ietekme, tad šādas sistēmas svārstības sauksies par brīvām. Sev atstātā svārsta svārstības pamazām sāks izgaist, amplitūda samazināsies. Svārsta kustība ir ne tikai mainīga (ātrāka apakšā un lēnāka augšpusē), bet arī ne vienmērīgi mainīga.
Harmoniskajās svārstībās spēks, kas dod svārsta paātrinājumu, kļūst vājāks, samazinoties novirzes apjomam no līdzsvara punkta. Pastāv proporcionāla attiecība starp spēku un novirzes attālumu. Tāpēc tādas vibrācijas sauc par harmoniskām, kurās novirzes leņķis no līdzsvara punkta nepārsniedz desmit grādus.
Piespiedu kustība un rezonanse
Praktiskajam pielietojumam inženierzinātnēs vibrācijām nav atļauts samazināties, radot ārēju spēku svārstību sistēmai. Ja svārstību kustība notiek ārējā ietekmē, to sauc par piespiedu. Piespiedu svārstības notiek ar tādu frekvenci, kādu tās nosaka ārēja ietekme. Darbojošā ārējā spēka frekvence var sakrist vai nesakrist ar svārsta dabisko svārstību biežumu. Sakrītot, palielinās svārstību amplitūda. Šāda pieauguma piemērs ir šūpoles, kas paceļas augstāk, ja kustības laikā jūs viņiem piešķirat paātrinājumu, sasniedzot viņu pašu kustības ritmu.
Šo fenomenu fizikā sauc par rezonansi, un tai ir liela nozīme praktiskā pielietojumā. Piemēram, noskaņojot radio uztvērēju uz vēlamo viļņu, tas tiek rezonansē ar atbilstošo radiostaciju. Rezonanses fenomenam ir arī negatīvas sekas,kas noved pie ēku un tiltu iznīcināšanas.
Pašpietiekamas sistēmas
Bez piespiedu un brīvajām vibrācijām pastāv arī pašsvārstības. Tās rodas ar pašas svārstību sistēmas frekvenci, ja tās tiek pakļautas pastāvīgam, nevis mainīgam spēkam. Pašsvārstību piemērs ir pulkstenis, kurā svārsta kustība tiek nodrošināta un uzturēta, attinot atsperi vai nolaižot slodzi. Spēlējot vijoli, stīgu dabiskās vibrācijas sakrīt ar spēku, kas rodas lociņa ietekmē, un parādās noteiktas tonalitātes skaņa.
Svārstību sistēmas ir daudzveidīgas, un tajās notiekošo procesu izpēte praktiskos eksperimentos ir interesanta un izzinoša. Svārstību kustības praktiskā pielietošana ikdienā, zinātnē un tehnoloģijās ir dažāda un neaizstājama: no šūpošanās šūpolēm līdz raķešu dzinēju ražošanai.
