Fizikā ir dažādi svārstību veidi, ko raksturo noteikti parametri. Apsveriet to galvenās atšķirības, klasifikāciju pēc dažādiem faktoriem.
Pamata definīcijas
Svārstībām ir domāts process, kurā ar regulāriem intervāliem kustības galvenajiem raksturlielumiem ir vienādas vērtības.
Periodiskās svārstības ir tās, kurās pamatlielumu vērtības atkārtojas ar regulāriem intervāliem (oscilācijas periods).
Svārstību procesu dažādība
Apskatīsim galvenos svārstību veidus, kas pastāv fundamentālajā fizikā.
Brīvās vibrācijas ir tās, kas rodas sistēmā, kas pēc sākotnējā trieciena nav pakļauta ārējai mainīgai ietekmei.
Brīvās svārstības piemērs ir matemātiskais svārsts.
Tā veida mehāniskās vibrācijas, kas rodas sistēmā ārēja mainīga spēka iedarbībā.
Klasifikācijas pazīmes
Pēc fiziskās būtības izšķir šādus svārstīgo kustību veidus:
- mehāniska;
- termiskā;
- elektromagnētisks;
- jaukts.
Atbilstoši mijiedarbības ar vidi opcijai
Svārstību veidi mijiedarbībā ar vidi iedalās vairākās grupās.
Ārējas periodiskas darbības ietekmē sistēmā parādās piespiedu svārstības. Par šāda veida svārstību piemēriem var uzskatīt roku, lapu kustību uz kokiem.
Piespiedu harmoniskām svārstībām var parādīties rezonanse, kurā ar vienādām ārējās ietekmes un oscilatora frekvences vērtībām ar strauju amplitūdas pieaugumu.
Pašas vibrācijas sistēmā iekšējo spēku ietekmē pēc tās izņemšanas no līdzsvara. Vienkāršākais brīvo vibrāciju variants ir slodzes kustība, kas ir piekārta uz vītnes vai piestiprināta pie atsperes.
Pašsvārstības ir veidi, kuros sistēmai ir noteikts potenciālās enerģijas daudzums, ko izmanto svārstību radīšanai. To atšķirīgā iezīme ir fakts, ka amplitūdu raksturo pašas sistēmas īpašības, nevis sākotnējie nosacījumi.
Nejaušām svārstībām ārējai slodzei ir nejauša vērtība.
Svārstību kustību pamatparametri
Visiem vibrācijas režīmiem ir noteiktas īpašības, kas jāmin atsevišķi.
Amplitūda ir maksimālā novirze no līdzsvara stāvokļa, svārstīgas vērtības novirze, to mēra metros.
Periods ir viena pilnā spara laikskas atkārto sistēmas raksturlielumus, tiek aprēķināts sekundēs.
Biežumu nosaka svārstību skaits laika vienībā, tā ir apgriezti proporcionāla svārstību periodam.
Svārstību fāze raksturo sistēmas stāvokli.
Raksturīgs harmoniskām svārstībām
Šāda veida svārstības notiek saskaņā ar kosinusa vai sinusa likumu. Furjē izdevās noteikt, ka jebkuru periodisku svārstību var attēlot kā harmonisko izmaiņu summu, paplašinot noteiktu funkciju Furjē sērijā.
Piemēram ņemiet svārstu ar noteiktu periodu un ciklisku biežumu.
Kas raksturo šāda veida svārstības? Fizikā matemātisko svārstu uzskata par idealizētu sistēmu, kas sastāv no materiāla punkta, kas ir piekārts uz bezsvara nestiepjama pavediena, svārstās gravitācijas ietekmē.
Šādiem vibrāciju veidiem ir noteikts enerģijas daudzums, tie ir izplatīti dabā un tehnoloģijā.
Ar ilgstošu svārstību kustību mainās tā masas centra koordinātas, savukārt ar maiņstrāvu mainās strāvas un sprieguma vērtība ķēdē.
Pēc fiziskās būtības ir dažādi harmonisko svārstību veidi: elektromagnētiskās, mehāniskās utt.
Transportlīdzekļa trīcēšana, kas pārvietojas pa nelīdzenu ceļu, darbojas kā piespiedu svārstības.
Galvenās atšķirības starp piespiedu un bezmaksassvārstības
Šie elektromagnētisko svārstību veidi atšķiras pēc fiziskajām īpašībām. Vidējas pretestības un berzes spēku klātbūtne izraisa brīvo svārstību slāpēšanu. Piespiedu svārstību gadījumā enerģijas zudumus kompensē tās papildu padeve no ārēja avota.
Atsperes svārsta periods ir saistīts ar ķermeņa masu un atsperes stingrību. Matemātiskā svārsta gadījumā tas ir atkarīgs no vītnes garuma.
Ar zināmu periodu jūs varat aprēķināt svārstību sistēmas dabisko frekvenci.
Tehnoloģijā un dabā ir svārstības ar dažādām frekvences vērtībām. Piemēram, svārsta, kas svārstās Īzaka katedrālē Sanktpēterburgā, frekvence ir 0,05 Hz, savukārt atomiem tā ir vairāki miljoni megahercu.
Pēc noteikta laika tiek novērota brīvo svārstību slāpēšana. Tāpēc reālajā praksē tiek izmantotas piespiedu svārstības. Tie ir pieprasīti dažādās vibrācijas iekārtās. Vibrācijas āmurs ir triecien-vibrācijas iekārta, kas paredzēta cauruļu, pāļu un citu metāla konstrukciju iedzīšanai zemē.
Elektromagnētiskās svārstības
Svārstību režīmu raksturojums ietver galveno fizisko parametru analīzi: lādiņu, spriegumu, strāvas stiprumu. Kā elementāra sistēma, ko izmanto elektromagnētisko svārstību novērošanai, ir svārstību ķēde. To veido, virknē savienojot spoli un kondensatoru.
Kad ķēde ir aizvērta, brīva elektromagnētiskā enerģijasvārstības, kas saistītas ar periodiskām izmaiņām kondensatora elektriskā lādiņā un strāvā spolē.
Tie ir brīvi, jo to izpildes laikā nav ārējas ietekmes, bet tiek izmantota tikai ķēdē uzkrātā enerģija.
Ja mēs uzskatām, ka spoles pretestība ir nulle, un ņemam svārstību periodu kā T, mēs varam uzskatīt vienu pilnīgu sistēmas radītu svārstību.
Ja nav ārējas ietekmes, pēc noteikta laika tiek novērota elektromagnētisko svārstību slāpēšana. Šīs parādības iemesls būs pakāpeniska kondensatora izlāde, kā arī spoles pretestība.
Tāpēc reālā ķēdē rodas slāpētas svārstības. Kondensatora lādiņa samazināšana noved pie enerģijas vērtības samazināšanās salīdzinājumā ar tā sākotnējo vērtību. Pamazām tas izdalīsies kā siltums uz savienojošajiem vadiem un spoles, kondensators tiks pilnībā izlādēts un elektromagnētiskās svārstības tiks pabeigtas.
Svārstību nozīme zinātnē un tehnoloģijā
Jebkuras kustības, kurām ir noteikta atkārtošanās pakāpe, ir svārstības. Piemēram, matemātisko svārstu raksturo sistemātiska novirze abos virzienos no sākotnējās vertikālās pozīcijas.
Atsperu svārsta viens pilns gājiens atbilst tā kustībai uz augšu un uz leju no sākotnējās pozīcijas.
Elektriskajā ķēdē, kurai ir kapacitāte un induktivitāte, notiek atkārtota uzlādekondensatoru plāksnes. Kāds ir svārstīgo kustību cēlonis? Svārsts darbojas tāpēc, ka gravitācija liek tam atgriezties sākotnējā stāvoklī. Atsperes modeļa gadījumā līdzīgu funkciju veic atsperes elastīgais spēks. Izejot no līdzsvara stāvokļa, slodzei ir noteikts ātrums, tāpēc ar inerci tā pārvietojas garām vidējam stāvoklim.
Elektriskās svārstības var izskaidrot ar potenciālu starpību, kas pastāv starp uzlādēta kondensatora plāksnēm. Pat tad, kad tas ir pilnībā izlādējies, strāva nepazūd, tā tiek uzlādēta.
Mūsdienu tehnoloģijās tiek izmantotas svārstības, kas būtiski atšķiras pēc to būtības, atkārtošanās pakāpes, rakstura un arī izskata “mehānisma”.
Mehāniskās vibrācijas rada mūzikas instrumentu stīgas, jūras viļņi, svārsts. Veicot dažādas mijiedarbības, tiek ņemtas vērā ķīmiskās svārstības, kas saistītas ar reaģentu koncentrācijas izmaiņām.
Elektromagnētiskās svārstības ļauj radīt dažādas tehniskas ierīces, piemēram, telefonus, ultraskaņas medicīnas ierīces.
Cefeīdu spilgtuma svārstības īpaši interesē astrofizikā, un tās pēta dažādu valstu zinātnieki.
Secinājums
Visu veidu svārstības ir cieši saistītas ar milzīgu skaitu tehnisko procesu un fizikālo parādību. To praktiskā nozīme ir liela gaisa kuģu būvē, kuģu būvē, dzīvojamo kompleksu celtniecībā, elektrotehnikā, radioelektronikā, medicīnā un fundamentālajās zinātnēs. Tipiska svārstību procesa piemērsfizioloģija veicina sirds muskuļa kustību. Mehāniskās vibrācijas ir sastopamas organiskajā un neorganiskajā ķīmijā, meteoroloģijā un daudzās citās dabaszinātnēs.
Pirmie matemātikas svārsta pētījumi tika veikti septiņpadsmitajā gadsimtā, un līdz deviņpadsmitā gadsimta beigām zinātnieki spēja noskaidrot elektromagnētisko svārstību raksturu. Krievu zinātnieks Aleksandrs Popovs, kurš tiek uzskatīts par radiosakaru "tēvu", veica savus eksperimentus, tieši pamatojoties uz elektromagnētisko svārstību teoriju, Tomsona, Huygens un Rayleigh pētījumu rezultātiem. Viņam izdevās atrast praktisku pielietojumu elektromagnētiskajām svārstībām, lai tās izmantotu radiosignāla pārraidīšanai lielā attālumā.
Akadēmiķis P. N. Ļebedevs daudzus gadus veica eksperimentus, kas saistīti ar augstfrekvences elektromagnētisko svārstību radīšanu, izmantojot mainīgus elektriskos laukus. Pateicoties daudziem eksperimentiem, kas saistīti ar dažāda veida vibrācijām, zinātniekiem ir izdevies atrast jomas to optimālai izmantošanai mūsdienu zinātnē un tehnoloģijās.
