Fysiikassa on erilaisia värähtelytyyppejä, joille on tunnusomaista tietyt parametrit. Harkitse niiden tärkeimpiä eroja, luokittelua eri tekijöiden mukaan.
Perusmääritelmät
Fluktuaatiolla tarkoitetaan prosessia, jossa säännöllisin väliajoin liikkeen pääominaisuuksilla on samat arvot.
Jaksottaiset värähtelyt ovat niitä, joissa perussuureiden arvot toistuvat säännöllisin väliajoin (värähtelyjakso).
Erilaiset värähtelyprosessit
Katsotaanpa perusfysiikassa esiintyviä värähtelyjen päätyyppejä.
Vapaat tärinät ovat sellaisia, joita esiintyy järjestelmässä, joka ei ole alttiina ulkoisille muuttuville vaikutuksille alkuiskun jälkeen.
Esimerkki vapaasta värähtelystä on matemaattinen heiluri.
Sellaiset mekaaniset tärinätyypit, joita esiintyy järjestelmässä ulkoisen muuttuvan voiman vaikutuksesta.
Luokituksen ominaisuudet
Fyysisen luonteen perusteella erotetaan seuraavat värähtelevät liikkeet:
- mekaaninen;
- lämpö;
- sähkömagneettinen;
- sekoitettu.
Vuorovaikutusmahdollisuuden mukaan ympäristön kanssa
Vuorovaikutuksen vaihtelutyypit ympäristön kanssa on jaettu useisiin ryhmiin.
Pakotettuja värähtelyjä ilmenee järjestelmässä ulkoisen jaksollisen toiminnan vaikutuksesta. Esimerkkeinä tällaisesta värähtelystä voidaan pitää käsien liikettä, lehtiä puissa.
Pakotetuissa harmonisissa värähtelyissä voi ilmetä resonanssi, jossa ulkoisen vaikutuksen ja oskillaattorin taajuuden yhtäläisillä arvoilla amplitudin jyrkästi kasvaessa.
Omat värähtelyt järjestelmässä sisäisten voimien vaikutuksesta sen jälkeen, kun järjestelmä on poistettu tasapainosta. Yksinkertaisin versio vapaasta tärinästä on kuorman liike, joka on ripustettu kierteeseen tai kiinnitetty jouseen.
Itsevärähtelyt ovat tyyppejä, joissa järjestelmällä on tietty määrä potentiaalienergiaa, jota käytetään värähtelyjen aikaansaamiseen. Niiden erottuva piirre on se, että amplitudille on ominaista itse järjestelmän ominaisuudet, ei alkuehdot.
Satunnaisvaihteluille ulkoisella kuormalla on satunnainen arvo.
Väräilyliikkeiden perusparametrit
Kaikilla tärinämuodoilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka on mainittava erikseen.
Amplitudi on suurin poikkeama tasapainoasennosta, vaihtelevan arvon poikkeama, se mitataan metreinä.
Kausi on yhden täyden vauhdin aika, läpijoka toistaa järjestelmän ominaisuudet, lasketaan sekunneissa.
Taajuus määräytyy värähtelyjen lukumäärän perusteella aikayksikköä kohti, se on kääntäen verrannollinen värähtelyjaksoon.
Värähtelyvaihe kuvaa järjestelmän tilaa.
Harmonisten värähtelyjen ominaisuus
Tällaiset värähtelytyypit tapahtuvat kosinin tai sinin lain mukaan. Fourier onnistui osoittamaan, että mikä tahansa jaksollinen värähtely voidaan esittää harmonisten muutosten summana laajentamalla tietty funktio Fourier-sarjaksi.
Otetaan esimerkkinä heiluri, jolla on tietty jakso ja syklinen taajuus.
Mikä on ominaista tämäntyyppisille vaihteluille? Fysiikka pitää matemaattista heiluria idealisoituna systeeminä, joka koostuu aineellisesta pisteestä, joka on ripustettu painottomaan venymättömään langaan ja värähtelee painovoiman vaikutuksesta.
Tällaisilla värähtelytyypeillä on tietty määrä energiaa, ne ovat yleisiä luonnossa ja tekniikassa.
Pitkittyessä värähtelevässä liikkeessä sen massakeskipisteen koordinaatti muuttuu ja vaihtovirralla virran ja jännitteen arvo piirissä muuttuu.
Fysikaalisen luonteen perusteella on olemassa erilaisia harmonisia värähtelyjä: sähkömagneettisia, mekaanisia jne.
Epätasaisella tiellä liikkuvan ajoneuvon tärinä toimii pakotettuna värähtelynä.
Tärkeimmät erot pakotetun ja ilmaisen välillävaihtelut
Tällaisten sähkömagneettisten värähtelyjen fysikaaliset ominaisuudet eroavat toisistaan. Keskivastuksen ja kitkavoimien läsnäolo johtaa vapaiden värähtelyjen vaimentamiseen. Pakotetun värähtelyn tapauksessa energiahäviöt kompensoidaan sen lisäsyötöllä ulkoisesta lähteestä.
Jousiheilurin jakso suhteuttaa rungon massan ja jousen jäykkyyden. Matemaattisen heilurin tapauksessa se riippuu langan pituudesta.
Tunnetulla jaksolla voit laskea värähtelyjärjestelmän ominaistaajuuden.
Teknologiassa ja luonnossa esiintyy vaihteluita eri taajuuksilla. Esimerkiksi Pietarin Iisakinkirkossa värähtelevän heilurin taajuus on 0,05 Hz, kun taas atomeilla se on useita miljoonia megahertsejä.
Tietyn ajan kuluttua havaitaan vapaiden värähtelyjen vaimenemista. Tästä syystä pakotettuja värähtelyjä käytetään todellisessa käytännössä. Niillä on kysyntää erilaisissa tärinäkoneissa. Täryvasara on tärinäiskukone, joka on suunniteltu putkien, paalujen ja muiden metallirakenteiden lyömiseen maahan.
Sähkömagneettiset värähtelyt
Värähtelymuotojen karakterisointi sisältää tärkeimpien fyysisten parametrien analysoinnin: varaus, jännite, virran voimakkuus. Alkeisjärjestelmänä, jota käytetään sähkömagneettisten värähtelyjen tarkkailuun, on värähtelypiiri. Se muodostetaan kytkemällä käämi ja kondensaattori sarjaan.
Kun piiri on suljettu, vapaa sähkömagneettinenvaihtelut, jotka liittyvät säännöllisiin muutoksiin kondensaattorin sähkövarauksessa ja käämin virrassa.
Ne ovat ilmaisia, koska niitä suoritettaessa ei ole ulkoista vaikutusta, vaan käytetään vain itse piiriin varastoitunutta energiaa.
Jos katsomme käämin resistanssin nollaksi ja otamme värähtelyjaksoksi T, voimme katsoa yhden järjestelmän suorittaman täydellisen värähtelyn.
Ulkoisen vaikutuksen puuttuessa havaitaan tietyn ajan kuluttua sähkömagneettisen värähtelyn vaimennus. Syynä tähän ilmiöön on kondensaattorin asteittainen purkautuminen sekä käämin todellisuudessa oleva vastus.
Siksi todellisessa piirissä esiintyy vaimennettuja värähtelyjä. Kondensaattorin varauksen vähentäminen johtaa energia-arvon laskuun verrattuna sen alkuperäiseen arvoon. Vähitellen se vapautuu lämpönä liitäntäjohtoihin ja käämiin, kondensaattori purkautuu kokonaan ja sähkömagneettinen värähtely päättyy.
Tieteen ja tekniikan vaihteluiden merkitys
Kaikki liikkeet, joissa on tietty toistoaste, ovat värähtelyjä. Esimerkiksi matemaattiselle heilurille on ominaista systemaattinen poikkeama molempiin suuntiin alkuperäisestä pystyasennosta.
Jousiheilurin kohdalla yksi täysi lyönti vastaa sen liikettä ylös ja alas alkuasennosta.
Sähköpiirissä, jossa on kapasitanssi ja induktanssi, latautuu toistuvastikondensaattorilevyt. Mikä on värähtelevien liikkeiden syy? Heilurin toiminta johtuu siitä, että painovoima saa sen palaamaan alkuperäiseen asentoonsa. Jousimallin tapauksessa samanlaisen toiminnon suorittaa jousen elastinen voima. Tasapainoasennon ohittaessa kuormalla on tietty nopeus, joten se liikkuu hitaudella keskimääräisen tilan ohi.
Sähköiset värähtelyt voidaan selittää potentiaalierolla, joka on varatun kondensaattorin levyjen välillä. Vaikka se olisi täysin tyhjä, virta ei katoa, se latautuu.
Nykyaikainen tekniikka käyttää vaihteluja, jotka eroavat merkittävästi luonteeltaan, toistoasteeltaan, luonteeltaan ja myös ulkonäön "mekanismiltaan".
Mekaanisia värähtelyjä aiheuttavat soittimien kielet, meren aallot, heiluri. Reagenssien pitoisuuden muutokseen liittyvät kemialliset vaihtelut otetaan huomioon suoritettaessa erilaisia vuorovaikutuksia.
Sähkömagneettisten värähtelyjen avulla voidaan luoda erilaisia teknisiä laitteita, kuten puhelimia, ultraäänilaitteita.
Kefeidien kirkkausvaihtelut ovat erityisen kiinnostavia astrofysiikassa, ja tutkijat eri maista tutkivat niitä.
Johtopäätös
Kaikentyyppiset värähtelyt liittyvät läheisesti v altavaan määrään teknisiä prosesseja ja fysikaalisia ilmiöitä. Niiden käytännön merkitys on suuri lentokoneiden rakentamisessa, laivanrakennuksessa, asuinrakennusten rakentamisessa, sähkötekniikassa, radioelektroniikassa, lääketieteessä ja perustieteissä. Esimerkki tyypillisestä värähtelyprosessistafysiologia suosii sydänlihaksen liikettä. Mekaanisia värähtelyjä löytyy orgaanisesta ja epäorgaanisesta kemiasta, meteorologiasta ja monista muista luonnontieteistä.
Ensimmäiset tutkimukset matemaattisesta heilurista suoritettiin 1600-luvulla, ja 1800-luvun loppuun mennessä tiedemiehet pystyivät selvittämään sähkömagneettisten värähtelyjen luonteen. Venäläinen tiedemies Alexander Popov, jota pidetään radioviestinnän "isänä", suoritti kokeensa juuri sähkömagneettisten värähtelyjen teorian, Thomsonin, Huygensin ja Rayleighin tutkimustulosten perusteella. Hän onnistui löytämään käytännön sovelluksen sähkömagneettisille värähtelyille, käyttämään niitä radiosignaalin lähettämiseen pitkän matkan päähän.
Akateemikko P. N. Lebedev suoritti monien vuosien ajan kokeita, jotka liittyivät korkeataajuisten sähkömagneettisten värähtelyjen tuottamiseen vuorottelevia sähkökenttiä käyttäen. Lukuisten erityyppisiin värähtelyihin liittyvien kokeiden ansiosta tutkijat ovat onnistuneet löytämään alueita niiden optimaaliseen käyttöön nykyaikaisessa tieteessä ja tekniikassa.
