Οι φυσικές δονήσεις είναι διαδικασίες που χαρακτηρίζονται από μια ορισμένη επαναληψιμότητα. Για παράδειγμα, αυτές περιλαμβάνουν την κίνηση του εκκρεμούς ενός ρολογιού, μια χορδή κιθάρας, τα πόδια ενός κουρδίσματος, τη δραστηριότητα της καρδιάς.
Μηχανικές δονήσεις
Λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική φύση, οι φυσικές ταλαντώσεις μπορεί να είναι μηχανικές, ηλεκτρομαγνητικές, ηλεκτρομηχανικές. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην πρώτη διαδικασία. Οι φυσικοί κραδασμοί συμβαίνουν σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει πρόσθετη τριβή, δεν υπάρχουν εξωτερικές δυνάμεις. Τέτοιες κινήσεις χαρακτηρίζονται από εξάρτηση από τη συχνότητα μόνο από τα χαρακτηριστικά του δεδομένου συστήματος.
Αρμονικές διεργασίες
Αυτές οι φυσικές ταλαντώσεις συνεπάγονται μια αλλαγή στην ταλαντούμενη ποσότητα σύμφωνα με τον νόμο του συνημιτόνου. Ας αναλύσουμε την απλούστερη μορφή ενός ταλαντευτικού συστήματος, που αποτελείται από μια σφαίρα κρεμασμένη σε ένα ελατήριο.
Σε αυτή την περίπτωση, η βαρύτητα εξισορροπεί την ελαστικότητα του ελατηρίου. Σύμφωνα με το νόμο του Χουκ, υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της προέκτασής του του ελατηρίου και της δύναμης που ασκείται στο σώμα.
Ιδιότητες ελαστικής δύναμης
Οι δικές ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις στο κύκλωμα σχετίζονται με το μέγεθος της πρόσκρουσης στο σύστημα. Η ελαστική δύναμη, η οποία είναι ανάλογη με τη μετατόπιση της μπάλας από τη θέση ισορροπίας, κατευθύνεται προς την κατάσταση ισορροπίας. Η κίνηση της μπάλας υπό την επιρροή της μπορεί να περιγραφεί από τον νόμο του συνημιτόνου.
Η φυσική περίοδος ταλάντωσης θα καθοριστεί μαθηματικά.
Στην περίπτωση ενός εκκρεμούς ελατηρίου, αποκαλύπτεται η εξάρτηση από την ακαμψία του, καθώς και από τη μάζα του φορτίου. Η περίοδος των φυσικών ταλαντώσεων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο.
Ενέργεια σε αρμονική ταλάντωση
Η τιμή είναι σταθερή εάν δεν υπάρχει δύναμη τριβής.
Καθώς συμβαίνει η ταλαντωτική κίνηση, εμφανίζεται ένας περιοδικός μετασχηματισμός της κινητικής ενέργειας σε δυναμική τιμή.
Αποσβεσμένες ταλαντώσεις
Μπορούν να προκύψουν ίδιες ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις όταν το σύστημα δεν επηρεάζεται από εξωτερικές δυνάμεις. Η τριβή συμβάλλει στην απόσβεση των ταλαντώσεων, παρατηρείται μείωση του πλάτους τους.
Η συχνότητα των φυσικών ταλαντώσεων σε ένα ταλαντευόμενο κύκλωμα σχετίζεται με τις ιδιότητες του συστήματος, καθώς και με την ένταση των απωλειών.
Με αύξηση του συντελεστή εξασθένησης, παρατηρείται αύξηση στην περίοδο της ταλαντωτικής κίνησης.
Ο λόγος των πλατών που χωρίζονται από ένα διάστημα ίσο με μία περίοδο είναι σταθερόςαξία σε όλη τη διαδικασία. Αυτός ο λόγος ονομάζεται μείωση απόσβεσης.
Οι φυσικές δονήσεις στο ταλαντευόμενο κύκλωμα περιγράφονται από το νόμο των ημιτόνων (συνημίτονα).
Η περίοδος ταλάντωσης είναι μια φανταστική ποσότητα. Η κίνηση είναι απεριοδική. Το σύστημα, το οποίο απομακρύνεται από τη θέση ισορροπίας χωρίς πρόσθετες ταλαντώσεις, επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Η μέθοδος για να φέρει το σύστημα σε κατάσταση ισορροπίας καθορίζεται από τις αρχικές του συνθήκες.
Αντήχηση
Η περίοδος των φυσικών ταλαντώσεων του κυκλώματος καθορίζεται από τον αρμονικό νόμο. Οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις εμφανίζονται στο σύστημα υπό τη δράση μιας περιοδικά μεταβαλλόμενης δύναμης. Κατά τη σύνταξη της εξίσωσης κίνησης, λαμβάνεται υπόψη ότι εκτός από το φαινόμενο εξαναγκασμού, υπάρχουν και τέτοιες δυνάμεις που δρουν κατά τη διάρκεια των ελεύθερων κραδασμών: η αντίσταση του μέσου, η οιονεί ελαστική δύναμη.
Ο συντονισμός είναι μια απότομη αύξηση στο πλάτος των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων όταν η συχνότητα της κινητήριας δύναμης τείνει στη φυσική συχνότητα του σώματος. Όλες οι δονήσεις που συμβαίνουν σε αυτήν την περίπτωση ονομάζονται συντονισμένοι.
Για να αποκαλύψετε τη σχέση μεταξύ του πλάτους και της εξωτερικής δύναμης για εξαναγκασμένες ταλαντώσεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πειραματική ρύθμιση. Όταν η λαβή του στρόφαλου περιστρέφεται αργά, το φορτίο στο ελατήριο κινείται πάνω-κάτω παρόμοια με το σημείο της ανάρτησής του.
Μπορούν να υπολογιστούν οι δικές τους ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις στο ταλαντευόμενο κύκλωμα και άλλες φυσικές παράμετροισύστημα.
Σε περίπτωση ταχύτερης περιστροφής, οι ταλαντώσεις αυξάνονται και όταν η συχνότητα περιστροφής είναι ίση με τη φυσική, επιτυγχάνεται η μέγιστη τιμή πλάτους. Με μια επακόλουθη αύξηση της συχνότητας περιστροφής, το πλάτος των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων του αναλυόμενου φορτίου μειώνεται ξανά.
χαρακτηριστικό συντονισμού
Με μια ελαφριά κίνηση της λαβής, το φορτίο σχεδόν δεν αλλάζει τη θέση του. Ο λόγος είναι η αδράνεια του εκκρεμούς του ελατηρίου, το οποίο δεν συμβαδίζει με την εξωτερική δύναμη, επομένως παρατηρείται μόνο «τρεμματισμός στη θέση του».
Η φυσική συχνότητα των ταλαντώσεων στο κύκλωμα θα αντιστοιχεί με μια απότομη αύξηση στο πλάτος της συχνότητας της εξωτερικής δράσης.
Η γραφική παράσταση ενός τέτοιου φαινομένου ονομάζεται καμπύλη συντονισμού. Μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως εκκρεμές νήματος. Εάν κρεμάσετε μια τεράστια μπάλα στη ράγα, καθώς και έναν αριθμό ελαφρών εκκρεμών με διαφορετικά μήκη νήματος.
Κάθε ένα από αυτά τα εκκρεμή έχει τη δική του συχνότητα ταλάντωσης, η οποία μπορεί να προσδιοριστεί με βάση την επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης, το μήκος του νήματος.
Αν η μπάλα βγει από την ισορροπία, αφήνοντας το ελαφρύ εκκρεμές χωρίς κίνηση και στη συνέχεια απελευθερωθεί, οι ταλαντεύσεις της θα οδηγήσουν σε περιοδική κάμψη της ράγας. Αυτό θα προκαλέσει την επίδραση μιας περιοδικής μεταβαλλόμενης ελαστικής δύναμης στα ελαφρά εκκρεμή, αναγκάζοντάς τα να εκτελούν εξαναγκασμένες ταλαντώσεις. Σταδιακά, όλα θα έχουν ίσο πλάτος, που θα είναι ο συντονισμός.
Αυτό το φαινόμενο μπορεί επίσης να φανεί για έναν μετρονόμο, η βάση του οποίου είναι συνδεδεμένηνήμα με τον άξονα του εκκρεμούς. Σε αυτή την περίπτωση, θα ταλαντεύεται με μέγιστο πλάτος, τότε η συχνότητα του εκκρεμούς που «τραβάει» τη χορδή αντιστοιχεί στη συχνότητα των ελεύθερων ταλαντώσεων του.
Ο συντονισμός εμφανίζεται όταν μια εξωτερική δύναμη, που ενεργεί έγκαιρα με ελεύθερες δονήσεις, λειτουργεί με θετική τιμή. Αυτό οδηγεί σε αύξηση του πλάτους της ταλαντευτικής κίνησης.
Πέρα από τον θετικό αντίκτυπο, το φαινόμενο του συντονισμού συχνά εκτελεί και αρνητική λειτουργία. Για παράδειγμα, εάν η γλώσσα ενός κουδουνιού ταλαντεύεται, είναι σημαντικό για τον ήχο που θα παράγεται το σχοινί να ενεργεί έγκαιρα με τις ελεύθερες ταλαντευόμενες κινήσεις της γλώσσας.
Εφαρμογή συντονισμού
Η λειτουργία του μετρητή συχνότητας καλαμιού βασίζεται στον συντονισμό. Η συσκευή παρουσιάζεται με τη μορφή ελαστικών πλακών διαφορετικού μήκους, στερεωμένες σε μία κοινή βάση.
Σε περίπτωση επαφής του μετρητή συχνότητας με ένα σύστημα ταλάντωσης για το οποίο απαιτείται ο προσδιορισμός της συχνότητας, η πλάκα αυτή, της οποίας η συχνότητα είναι ίση με τη μετρούμενη, θα ταλαντωθεί με το μέγιστο πλάτος. Αφού εισαγάγετε την πλατίνα σε συντονισμό, μπορείτε να υπολογίσετε τη συχνότητα του συστήματος ταλάντωσης.
Τον δέκατο όγδοο αιώνα, όχι μακριά από τη γαλλική πόλη Ανζέ, ένα απόσπασμα στρατιωτών κινήθηκε κατά μήκος μιας γέφυρας αλυσίδας, το μήκος της οποίας ήταν 102 μέτρα. Η συχνότητα των βημάτων τους έπαιρνε μια τιμή ίση με τη συχνότητα των ελεύθερων κραδασμών της γέφυρας, που προκαλούσαν συντονισμό. Αυτό προκάλεσε το σπάσιμο των αλυσίδων, την κατάρρευση της κρεμαστής γέφυρας.
Το 1906, για τον ίδιο λόγο, καταστράφηκε η αιγυπτιακή γέφυρα στην Αγία Πετρούπολη, κατά μήκος της οποίας κινήθηκε μια μοίρα ιππέων. Για να αποφύγουμε τέτοια δυσάρεστα φαινόμενα, τώρα μεπερνώντας τη γέφυρα, οι στρατιωτικές μονάδες πηγαίνουν με ελεύθερο ρυθμό.
Ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα
Είναι διασυνδεδεμένες διακυμάνσεις μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων.
Οι ίδιες ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις στο κύκλωμα συμβαίνουν όταν το σύστημα βγαίνει από την ισορροπία, για παράδειγμα, όταν ένα φορτίο μεταδίδεται σε έναν πυκνωτή, μια αλλαγή στο μέγεθος ρεύματος στο κύκλωμα.
Ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις εμφανίζονται σε διαφορετικά ηλεκτρικά κυκλώματα. Σε αυτή την περίπτωση, η ταλαντωτική κίνηση εκτελείται από την ισχύ του ρεύματος, την τάση, το φορτίο, την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, τη μαγνητική επαγωγή και άλλα ηλεκτροδυναμικά μεγέθη.
Μπορούν να θεωρηθούν ως αποσβεσμένες ταλαντώσεις, καθώς η ενέργεια που μεταδίδεται στο σύστημα πηγαίνει σε θερμότητα.
Ως εξαναγκασμένες ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις είναι οι διεργασίες στο κύκλωμα, οι οποίες προκαλούνται από μια περιοδικά μεταβαλλόμενη εξωτερική ημιτονοειδική ηλεκτροκινητική δύναμη.
Τέτοιες διεργασίες περιγράφονται από τους ίδιους νόμους όπως στην περίπτωση των μηχανικών δονήσεων, αλλά έχουν εντελώς διαφορετική φυσική φύση. Τα ηλεκτρικά φαινόμενα είναι μια ειδική περίπτωση ηλεκτρομαγνητικών διεργασιών με ισχύ, τάση, εναλλασσόμενο ρεύμα.
Ταλαντικό κύκλωμα
Είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από ένα πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά, έναν πυκνωτή με μια ορισμένη χωρητικότητα, μια αντίσταση αντίστασης.
Όταν το κύκλωμα ταλάντωσης βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση ισορροπίας, ο πυκνωτής δεν έχει φορτίο και δεν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του πηνίου.
Μεταξύ των κύριων χαρακτηριστικώνΟι ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις σημειώνουν την κυκλική συχνότητα, η οποία είναι η δεύτερη παράγωγος του φορτίου σε σχέση με το χρόνο. Η φάση των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων είναι ένα αρμονικό μέγεθος, που περιγράφεται από τον νόμο του ημιτονοειδούς (συνημιτόνου).
Η περίοδος στο κύκλωμα ταλάντωσης καθορίζεται από τον τύπο Thomson, εξαρτάται από την χωρητικότητα του πυκνωτή, καθώς και από την τιμή της αυτεπαγωγής του πηνίου με το ρεύμα. Το ρεύμα στο κύκλωμα αλλάζει σύμφωνα με τον ημιτονοειδή νόμο, επομένως μπορείτε να προσδιορίσετε τη μετατόπιση φάσης για ένα συγκεκριμένο ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Εναλλασσόμενο ρεύμα
Σε πλαίσιο που περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο με συγκεκριμένη τιμή επαγωγής, προσδιορίζεται το αρμονικό EMF. Σύμφωνα με το νόμο του Faraday για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, καθορίζονται από την αλλαγή της μαγνητικής ροής, είναι μια ημιτονοειδής τιμή.
Όταν μια εξωτερική πηγή EMF συνδέεται στο ταλαντευόμενο κύκλωμα, εμφανίζονται εξαναγκασμένες ταλαντώσεις μέσα σε αυτό, που εμφανίζονται με μια κυκλική συχνότητα ώ, ίση σε τιμή με τη συχνότητα της ίδιας της πηγής. Είναι κινήσεις χωρίς απόσβεση, αφού όταν γίνεται φόρτιση, εμφανίζεται διαφορά δυναμικού, προκύπτει ρεύμα στο κύκλωμα και άλλα φυσικά μεγέθη. Αυτό προκαλεί αρμονικές αλλαγές στην τάση, το ρεύμα, που ονομάζονται παλμικά φυσικά μεγέθη.
Η τιμή των 50 Hz λαμβάνεται ως η βιομηχανική συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που απελευθερώνεται όταν διέρχεται από έναν αγωγό εναλλασσόμενου ρεύματος, δεν χρησιμοποιούνται οι μέγιστες τιμές ισχύος, καθώς επιτυγχάνεται μόνο σε ορισμένες χρονικές περιόδους. Για τέτοιους σκοπούς, εφαρμόστεμέση ισχύς, η οποία είναι ο λόγος όλης της ενέργειας που διέρχεται από το κύκλωμα κατά την αναλυόμενη περίοδο, προς την τιμή της.
Η τιμή του εναλλασσόμενου ρεύματος αντιστοιχεί στη σταθερά, η οποία απελευθερώνει την ίδια ποσότητα θερμότητας κατά τη διάρκεια της περιόδου με εκείνη του εναλλασσόμενου ρεύματος.
Transformer
Πρόκειται για μια συσκευή που αυξάνει ή μειώνει την τάση χωρίς σημαντική απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό το σχέδιο αποτελείται από πολλές πλάκες στις οποίες στερεώνονται δύο πηνία με περιελίξεις σύρματος. Το πρωτεύον συνδέεται με μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης και το δευτερεύον συνδέεται με συσκευές που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Για μια τέτοια συσκευή, διακρίνεται μια αναλογία μετασχηματισμού. Για έναν μετασχηματιστή κλιμάκωσης, είναι λιγότερο από ένα, και για έναν μετασχηματιστή κλιμάκωσης, τείνει στο 1.
Αυτόματες ταλαντώσεις
Αυτά ονομάζονται συστήματα που ρυθμίζουν αυτόματα την παροχή ενέργειας από εξωτερική πηγή. Οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτά θεωρούνται περιοδικές μη απόσβεσης (αυτοταλαντευόμενες) δράσεις. Τέτοια συστήματα περιλαμβάνουν μια γεννήτρια σωλήνων ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, ένα κουδούνι, ένα ρολόι.
Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις στις οποίες διαφορετικά σώματα συμμετέχουν ταυτόχρονα σε ταλαντώσεις σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
Αν προσθέσετε μαζί τέτοιες κινήσεις που έχουν ίσα πλάτη, μπορείτε να πάρετε μια αρμονική ταλάντωση με μεγαλύτερο πλάτος.
Σύμφωνα με το θεώρημα Fourier, ένα σύνολο απλών ταλαντωτικών συστημάτων, στα οποία μπορεί να αποσυντεθεί μια σύνθετη διαδικασία, θεωρείται αρμονικό φάσμα. Δείχνει τα πλάτη και τις συχνότητες όλων των απλών ταλαντώσεων που περιλαμβάνονται σεένα τέτοιο σύστημα. Τις περισσότερες φορές, το φάσμα αντικατοπτρίζεται σε γραφική μορφή.
Οι συχνότητες σημειώνονται στον οριζόντιο άξονα και τα πλάτη τέτοιων ταλαντώσεων εμφανίζονται κατά μήκος του άξονα των τεταγμένων.
Οποιεσδήποτε ταλαντευτικές κινήσεις: μηχανικές, ηλεκτρομαγνητικές, χαρακτηρίζονται από ορισμένα φυσικά μεγέθη.
Πρώτα απ' όλα, αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν πλάτος, περίοδο, συχνότητα. Υπάρχουν μαθηματικές εκφράσεις για κάθε παράμετρο, οι οποίες σας επιτρέπουν να πραγματοποιήσετε υπολογισμούς, να υπολογίσετε ποσοτικά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά.
