Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι ταλαντώσεων στη φυσική, που χαρακτηρίζονται από ορισμένες παραμέτρους. Εξετάστε τις κύριες διαφορές τους, ταξινόμηση σύμφωνα με διαφορετικούς παράγοντες.
Βασικοί ορισμοί
Υπό διακύμανση νοείται μια διαδικασία κατά την οποία σε τακτά χρονικά διαστήματα τα κύρια χαρακτηριστικά της κίνησης έχουν τις ίδιες τιμές.
Περιοδικές ταλαντώσεις είναι αυτές στις οποίες οι τιμές των βασικών μεγεθών επαναλαμβάνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα (περίοδος ταλάντωσης).
Ποικιλίες ταλαντωτικών διεργασιών
Ας εξετάσουμε τους κύριους τύπους ταλαντώσεων που υπάρχουν στη θεμελιώδη φυσική.
Οι ελεύθερες δονήσεις είναι αυτές που συμβαίνουν σε ένα σύστημα που δεν υπόκειται σε εξωτερικές μεταβλητές επιδράσεις μετά το αρχικό σοκ.
Ένα παράδειγμα ελεύθερης ταλάντωσης είναι ένα μαθηματικό εκκρεμές.
Αυτοί οι τύποι μηχανικών δονήσεων που συμβαίνουν στο σύστημα υπό την επίδραση μιας εξωτερικής μεταβλητής δύναμης.
Χαρακτηριστικά ταξινόμησης
Από φυσική φύση, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι ταλαντωτικών κινήσεων:
- μηχανικό;
- θερμικό;
- ηλεκτρομαγνητικό;
- μεικτό.
Σύμφωνα με την επιλογή αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον
Τύποι διακυμάνσεων στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον χωρίζονται σε διάφορες ομάδες.
Αναγκαστικές ταλαντώσεις εμφανίζονται στο σύστημα υπό την επίδραση μιας εξωτερικής περιοδικής δράσης. Ως παραδείγματα αυτού του είδους ταλάντωσης, μπορούμε να θεωρήσουμε την κίνηση των χεριών, των φύλλων στα δέντρα.
Για εξαναγκασμένες αρμονικές ταλαντώσεις, μπορεί να εμφανιστεί ένας συντονισμός, στον οποίο, με ίσες τιμές της συχνότητας της εξωτερικής επιρροής και του ταλαντωτή, με απότομη αύξηση του πλάτους.
Δικές δονήσεις στο σύστημα υπό την επίδραση εσωτερικών δυνάμεων αφού βγει από την ισορροπία. Η απλούστερη εκδοχή των ελεύθερων κραδασμών είναι η κίνηση ενός φορτίου που είναι αναρτημένο σε ένα νήμα ή προσαρτημένο σε ένα ελατήριο.
Οι αυτοταλαντώσεις είναι τύποι στους οποίους το σύστημα έχει μια ορισμένη ποσότητα δυναμικής ενέργειας που χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση ταλαντώσεων. Το χαρακτηριστικό τους είναι το γεγονός ότι το πλάτος χαρακτηρίζεται από τις ιδιότητες του ίδιου του συστήματος και όχι από τις αρχικές συνθήκες.
Για τυχαίες διακυμάνσεις, το εξωτερικό φορτίο έχει τυχαία τιμή.
Βασικές παράμετροι ταλαντωτικών κινήσεων
Όλοι οι τρόποι δόνησης έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά που πρέπει να αναφέρονται ξεχωριστά.
Το πλάτος είναι η μέγιστη απόκλιση από τη θέση ισορροπίας, η απόκλιση μιας κυμαινόμενης τιμής, μετριέται σε μέτρα.
Περίοδος είναι ο χρόνος μιας πλήρους εξέλιξηςπου επαναλαμβάνει τα χαρακτηριστικά του συστήματος, υπολογίζεται σε δευτερόλεπτα.
Η συχνότητα καθορίζεται από τον αριθμό των ταλαντώσεων ανά μονάδα χρόνου, είναι αντιστρόφως ανάλογη με την περίοδο ταλάντωσης.
Η φάση ταλάντωσης χαρακτηρίζει την κατάσταση του συστήματος.
Χαρακτηριστικό αρμονικών ταλαντώσεων
Τέτοιοι τύποι ταλαντώσεων συμβαίνουν σύμφωνα με το νόμο του συνημιτόνου ή του ημιτόνου. Ο Fourier κατάφερε να διαπιστώσει ότι οποιαδήποτε περιοδική ταλάντωση μπορεί να αναπαρασταθεί ως άθροισμα αρμονικών αλλαγών επεκτείνοντας μια συγκεκριμένη συνάρτηση σε μια σειρά Fourier.
Σε παράδειγμα, θεωρήστε ένα εκκρεμές με συγκεκριμένη περίοδο και κυκλική συχνότητα.
Τι χαρακτηρίζει αυτούς τους τύπους διακυμάνσεων; Η Φυσική θεωρεί ότι το μαθηματικό εκκρεμές είναι ένα εξιδανικευμένο σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα υλικό σημείο, το οποίο αιωρείται σε ένα αβαρές μη εκτατό νήμα, ταλαντώνεται υπό την επίδραση της βαρύτητας.
Τέτοιοι τύποι δονήσεων έχουν ένα ορισμένο ποσό ενέργειας, είναι συνηθισμένοι στη φύση και στην τεχνολογία.
Με παρατεταμένη ταλαντωτική κίνηση αλλάζει η συντεταγμένη του κέντρου μάζας της και με εναλλασσόμενο ρεύμα αλλάζει η τιμή του ρεύματος και της τάσης στο κύκλωμα.
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι αρμονικών ταλαντώσεων από φυσική φύση: ηλεκτρομαγνητικές, μηχανικές κ.λπ.
Το τίναγμα ενός οχήματος που κινείται σε ανώμαλο δρόμο λειτουργεί ως εξαναγκασμένη ταλάντωση.
Κύριες διαφορές μεταξύ αναγκαστικής και δωρεάνδιακυμάνσεις
Αυτοί οι τύποι ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων διαφέρουν ως προς τα φυσικά χαρακτηριστικά. Η παρουσία μέτριας αντίστασης και δυνάμεων τριβής οδηγούν σε απόσβεση των ελεύθερων ταλαντώσεων. Στην περίπτωση εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, οι απώλειες ενέργειας αντισταθμίζονται από την πρόσθετη παροχή από εξωτερική πηγή.
Η περίοδος ενός εκκρεμούς ελατηρίου σχετίζεται με τη μάζα του σώματος και την ακαμψία του ελατηρίου. Στην περίπτωση ενός μαθηματικού εκκρεμούς, εξαρτάται από το μήκος του νήματος.
Με μια γνωστή περίοδο, μπορείτε να υπολογίσετε τη φυσική συχνότητα του ταλαντωτικού συστήματος.
Στην τεχνολογία και τη φύση, υπάρχουν διακυμάνσεις με διαφορετικές τιμές συχνότητας. Για παράδειγμα, το εκκρεμές που ταλαντώνεται στον καθεδρικό ναό του Αγίου Ισαάκ στην Αγία Πετρούπολη έχει συχνότητα 0,05 Hz, ενώ για τα άτομα είναι αρκετά εκατομμύρια megahertz.
Μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, παρατηρείται απόσβεση των ελεύθερων ταλαντώσεων. Γι' αυτό οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις χρησιμοποιούνται στην πραγματική πράξη. Έχουν ζήτηση σε μια ποικιλία μηχανημάτων δόνησης. Το δονητικό σφυρί είναι μια μηχανή κραδασμών που έχει σχεδιαστεί για την οδήγηση σωλήνων, πασσάλων και άλλων μεταλλικών κατασκευών στο έδαφος.
Ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις
Ο χαρακτηρισμός των τρόπων ταλάντωσης περιλαμβάνει την ανάλυση των κύριων φυσικών παραμέτρων: φορτίο, τάση, ένταση ρεύματος. Ως στοιχειώδες σύστημα, το οποίο χρησιμοποιείται για την παρατήρηση ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων, είναι ένα κύκλωμα ταλάντωσης. Σχηματίζεται με τη σύνδεση ενός πηνίου και ενός πυκνωτή σε σειρά.
Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, ελεύθερο ηλεκτρομαγνητικόδιακυμάνσεις που σχετίζονται με περιοδικές αλλαγές στο ηλεκτρικό φορτίο στον πυκνωτή και στο ρεύμα στο πηνίο.
Είναι δωρεάν λόγω του γεγονότος ότι όταν εκτελούνται δεν υπάρχει εξωτερική επίδραση, αλλά χρησιμοποιείται μόνο η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο ίδιο το κύκλωμα.
Αν θεωρήσουμε την αντίσταση του πηνίου μηδέν και πάρουμε την περίοδο ταλάντωσης ως T, μπορούμε να θεωρήσουμε μία πλήρη ταλάντωση που έγινε από το σύστημα.
Απουσία εξωτερικής επιρροής, μετά από ορισμένο χρονικό διάστημα, παρατηρείται η απόσβεση της ηλεκτρομαγνητικής ταλάντωσης. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο θα είναι η σταδιακή εκφόρτιση του πυκνωτή, καθώς και η αντίσταση που έχει στην πραγματικότητα το πηνίο.
Γι' αυτό συμβαίνουν αποσβεσμένες ταλαντώσεις σε ένα πραγματικό κύκλωμα. Η μείωση της φόρτισης στον πυκνωτή οδηγεί σε μείωση της ενεργειακής αξίας σε σύγκριση με την αρχική του τιμή. Σταδιακά, θα απελευθερωθεί ως θερμότητα στα καλώδια σύνδεσης και το πηνίο, ο πυκνωτής θα αποφορτιστεί πλήρως και η ηλεκτρομαγνητική ταλάντωση θα ολοκληρωθεί.
Η σημασία των διακυμάνσεων στην επιστήμη και την τεχνολογία
Οποιεσδήποτε κινήσεις που έχουν ορισμένο βαθμό επανάληψης είναι ταλαντώσεις. Για παράδειγμα, ένα μαθηματικό εκκρεμές χαρακτηρίζεται από συστηματική απόκλιση και προς τις δύο κατευθύνσεις από την αρχική κατακόρυφη θέση.
Για ένα εκκρεμές ελατηρίου, μια πλήρης αιώρηση αντιστοιχεί στην κίνησή του πάνω και κάτω από την αρχική θέση.
Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που έχει χωρητικότητα και αυτεπαγωγή, υπάρχει μια επανάληψη φόρτισης στοπλάκες πυκνωτών. Ποια είναι η αιτία των ταλαντευτικών κινήσεων; Το εκκρεμές λειτουργεί λόγω του γεγονότος ότι η βαρύτητα το αναγκάζει να επιστρέψει στην αρχική του θέση. Στην περίπτωση ενός μοντέλου ελατηρίου, παρόμοια λειτουργία εκτελείται από την ελαστική δύναμη του ελατηρίου. Περνώντας τη θέση ισορροπίας, το φορτίο έχει μια ορισμένη ταχύτητα, επομένως, με αδράνεια, κινείται πέρα από τη μέση κατάσταση.
Οι ηλεκτρικές ταλαντώσεις μπορούν να εξηγηθούν από τη διαφορά δυναμικού που υπάρχει μεταξύ των πλακών ενός φορτισμένου πυκνωτή. Ακόμη και όταν αποφορτιστεί πλήρως, το ρεύμα δεν εξαφανίζεται, επαναφορτίζεται.
Η σύγχρονη τεχνολογία χρησιμοποιεί διακυμάνσεις που διαφέρουν σημαντικά ως προς τη φύση, τον βαθμό επανάληψης, τη φύση, καθώς και τον «μηχανισμό» της εμφάνισής τους.
Οι μηχανικές δονήσεις γίνονται από χορδές μουσικών οργάνων, θαλάσσια κύματα, εκκρεμές. Οι χημικές διακυμάνσεις που σχετίζονται με μια αλλαγή στη συγκέντρωση των αντιδρώντων λαμβάνονται υπόψη κατά τη διεξαγωγή διαφόρων αλληλεπιδράσεων.
Οι ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις επιτρέπουν τη δημιουργία διαφόρων τεχνικών συσκευών, όπως τηλέφωνα, ιατρικές συσκευές υπερήχων.
Οι διακυμάνσεις της φωτεινότητας των Κηφείδων παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην αστροφυσική και επιστήμονες από διαφορετικές χώρες τις μελετούν.
Συμπέρασμα
Όλοι οι τύποι ταλαντώσεων σχετίζονται στενά με έναν τεράστιο αριθμό τεχνικών διεργασιών και φυσικών φαινομένων. Η πρακτική τους σημασία είναι μεγάλη στην κατασκευή αεροσκαφών, τη ναυπηγική, την κατασκευή συγκροτημάτων κατοικιών, την ηλεκτρολογία, την ραδιοηλεκτρονική, την ιατρική και τις θεμελιώδεις επιστήμες. Ένα παράδειγμα τυπικής ταλαντωτικής διαδικασίας στοΗ φυσιολογία ευνοεί την κίνηση του καρδιακού μυός. Οι μηχανικές δονήσεις βρίσκονται στην οργανική και ανόργανη χημεία, τη μετεωρολογία και πολλές άλλες φυσικές επιστήμες.
Οι πρώτες μελέτες του μαθηματικού εκκρεμούς πραγματοποιήθηκαν τον δέκατο έβδομο αιώνα, και στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να καθορίσουν τη φύση των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων. Ο Ρώσος επιστήμονας Alexander Popov, ο οποίος θεωρείται ο «πατέρας» των ραδιοεπικοινωνιών, πραγματοποίησε τα πειράματά του ακριβώς με βάση τη θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων, τα αποτελέσματα της έρευνας των Thomson, Huygens και Rayleigh. Κατάφερε να βρει μια πρακτική εφαρμογή για τις ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις, για να τις χρησιμοποιήσει για τη μετάδοση ραδιοφωνικού σήματος σε μεγάλη απόσταση.
Ο ακαδημαϊκός P. N. Lebedev διεξήγαγε για πολλά χρόνια πειράματα σχετικά με την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας χρησιμοποιώντας εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία. Χάρη σε πολυάριθμα πειράματα που σχετίζονται με διάφορους τύπους δονήσεων, οι επιστήμονες κατάφεραν να βρουν περιοχές για τη βέλτιστη χρήση τους στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία.
