V vsakdanjem življenju se človek nenehno srečuje z manifestacijami nihajnega gibanja. To je nihanje nihala v uri, tresljaji avtomobilskih vzmeti in celotnega avtomobila. Tudi potres ni nič drugega kot vibracije zemeljske skorje. Od močnih sunkov vetra se zibajo tudi stolpnice. Poskusimo ugotoviti, kako fizika razlaga ta pojav.
Nihalo kot nihajni sistem
Najbolj očiten primer nihajnega gibanja je nihalo stenske ure. Prehod nihala od najvišje točke na levi do najvišje točke na desni se imenuje njegov polni zamah. Obdobje enega takega popolnega nihanja imenujemo obod. Frekvenca nihanja je število nihanj na sekundo.
Za preučevanje nihanj se uporablja preprosto nihalo iz niti, ki je narejeno tako, da se na nit obesi majhna kovinska kroglica. Če si predstavljamo, da je kroglica materialna točka, nit pa nima mase pri absolutufleksibilnost in pomanjkanje trenja, dobite teoretično, tako imenovano matematično nihalo.
Obdobje nihanja takšnega "idealnega" nihala lahko izračunamo s formulo:
T=2π √ l / g, kjer je l dolžina nihala, g je pospešek prostega padca.
Formula kaže, da obdobje nihanja nihala ni odvisno od njegove mase in ne upošteva kota odstopanja od ravnotežnega položaja.
Transformacija energije
Kakšen je mehanizem gibov nihala, ki se ponavljajo z določeno obdobje celo do neskončnosti, če ne bi bilo sil trenja in upora, za premagovanje katerih je potrebno določeno delo?
Nihalo začne nihati zaradi energije, ki mu je dana. V trenutku, ko se nihalo odmakne od navpičnega položaja, mu damo določeno količino potencialne energije. Ko se nihalo premakne iz svoje zgornje točke v začetni položaj, se potencialna energija pretvori v kinetično energijo. V tem primeru bo hitrost nihala postala največja, saj se sila, ki daje pospešek, zmanjša. Ker je v začetnem položaju hitrost nihala največja, se ne ustavi, ampak se po vztrajnosti premika naprej vzdolž loka kroga do popolnoma enake višine, s katere se je spustilo. Tako se energija med oscilatornim gibanjem pretvori iz potencialne v kinetično.
Višina nihala je enaka višini njegovega spuščanja. Galileo je prišel do tega zaključka, ko je izvajal poskus z nihalom, kasneje poimenovanim po njem.
Zamah nihala je nesporen primer zakona o ohranjanju energije. Imenujejo se harmonične vibracije.
Sinusni val in faza
Kaj je harmonično oscilatorno gibanje. Če želite videti načelo takšnega gibanja, lahko izvedete naslednji poskus. Na prečko obesimo lijak s peskom. Pod njo položimo list papirja, ki ga lahko premaknemo pravokotno na nihanja lijaka. Ko zaženemo lijak, premaknemo papir.
Rezultat je valovita črta, zapisana v pesku - sinusoida. Ta nihanja, ki se pojavljajo v skladu z zakonom sinusa, se imenujejo sinusna ali harmonična. S takšnimi nihanji se bo vsaka količina, ki označuje gibanje, spremenila v skladu z zakonom sinusa ali kosinusa.
Ob pregledu sinusoide, ki je nastala na kartonu, lahko ugotovimo, da je pesek plast peska v različnih odsekih različnih debelin: na vrhu ali koritu sinusoide je bila najgosteje nakopičena. To nakazuje, da je bila v teh točkah hitrost nihala najmanjša ali bolje rečeno nič, na tistih točkah, kjer je nihalo obrnilo svoje gibanje.
Koncept faze igra veliko vlogo pri preučevanju nihanj. V prevodu v ruščino ta beseda pomeni "manifestacija". V fiziki je faza posebna faza periodičnega procesa, to je mesto na sinusoidi, kjer se trenutno nahaja nihalo.
Oklevanja na svobodi
Če se nihajni sistem premakne in se nato ustavivpliva kakršnih koli sil in energij, potem bomo nihanja takšnega sistema imenovali prosta. Nihanja nihala, ki je prepuščena samemu sebi, bodo postopoma začela bledeti, amplituda se bo zmanjšala. Gibanje nihala ni samo spremenljivo (hitrejše na dnu in počasneje na vrhu), ampak tudi ni enakomerno spremenljivo.
Pri harmoničnih nihanjih postaja sila, ki daje pospešek nihala, šibkejša z zmanjšanjem količine odstopanja od ravnotežne točke. Obstaja sorazmerno razmerje med silo in razdaljo upogiba. Zato se takšne vibracije imenujejo harmonične, pri katerih kot odstopanja od ravnotežne točke ne presega deset stopinj.
Prisilno gibanje in resonanca
Za praktično uporabo v inženirstvu vibracijam ni dovoljeno razpadati, kar daje zunanjo silo nihajnemu sistemu. Če do nihajnega gibanja pride pod zunanjim vplivom, se imenuje prisilno. Prisilna nihanja se pojavljajo s frekvenco, ki jih določa zunanji vpliv. Frekvenca delujoče zunanje sile lahko sovpada ali ne sovpada s frekvenco naravnih nihanj nihala. Ko sovpadajo, se amplituda nihanj poveča. Primer takega povečanja je zamah, ki se dvigne višje, če jim med gibanjem daš pospešek in dosežeš utrip lastnega gibanja.
Ta pojav v fiziki imenujemo resonanca in je zelo pomemben za praktične aplikacije. Na primer, ko nastavite radijski sprejemnik na želeni val, se ta spravi v resonanco z ustrezno radijsko postajo. Fenomen resonance ima tudi negativne posledice,vodi do uničenja zgradb in mostov.
Samozadostni sistemi
Poleg prisilnih in prostih tresljajev obstajajo tudi lastna nihanja. Pojavljajo se s frekvenco samega nihajnega sistema, ko so izpostavljeni konstantni in ne spremenljivi sili. Primer lastnih nihanj je ura, pri kateri se gibanje nihala zagotavlja in vzdržuje z odvijanjem vzmeti ali spuščanjem bremena. Pri igranju na violino naravni tresljaji strun sovpadajo s silo, ki izhaja iz vpliva loka, in pojavi se zvok določene tonalnosti.
Oscilatorni sistemi so raznoliki, proučevanje procesov, ki se v njih dogajajo v praktičnih poskusih, pa je zanimivo in poučno. Praktična uporaba nihajnega gibanja v vsakdanjem življenju, znanosti in tehnologiji je raznolika in nepogrešljiva: od nihajnih nihanj do proizvodnje raketnih motorjev.
