V fiziki obstajajo različne vrste nihanj, za katere so značilni določeni parametri. Upoštevajte njihove glavne razlike, razvrstitev glede na različne dejavnike.
Osnovne definicije
Pod fluktuacijo je mišljen proces, pri katerem imajo glavne značilnosti gibanja v rednih intervalih enake vrednosti.
Periodična nihanja so tista, pri katerih se vrednosti osnovnih veličin ponavljajo v rednih intervalih (obdobje nihanja).
Različice oscilatornih procesov
Upoštevajmo glavne vrste nihanj, ki obstajajo v temeljni fiziki.
Proste vibracije so tiste, ki se pojavijo v sistemu, ki po začetnem šoku ni izpostavljen zunanjim spremenljivim vplivom.
Primer prostega nihanja je matematično nihalo.
Tiste vrste mehanskih vibracij, ki nastanejo v sistemu pod delovanjem zunanje spremenljive sile.
Značilnosti klasifikacije
Po fizični naravi ločimo naslednje vrste oscilatornih gibov:
- mehanski;
- termični;
- elektromagnetno;
- mešano.
Glede na možnost interakcije z okoljem
Vrste nihanj v interakciji z okoljem so razdeljene v več skupin.
Prisilna nihanja se pojavijo v sistemu pod vplivom zunanjega periodičnega delovanja. Kot primere tovrstnega nihanja lahko upoštevamo gibanje rok, listje na drevesih.
Pri prisilnih harmoničnih nihanjih se lahko pojavi resonanca, v kateri se pri enakih vrednostih frekvence zunanjega vpliva in oscilatorja močno poveča amplituda.
Lastne vibracije v sistemu pod vplivom notranjih sil, potem ko je izvlečen iz ravnotežja. Najenostavnejša varianta prostih tresljajev je gibanje bremena, ki je obešen na navoj ali pritrjen na vzmet.
Samonihanja so vrste, pri katerih ima sistem določeno količino potencialne energije, ki se uporablja za nihanje. Njihova značilnost je dejstvo, da amplitudo označujejo lastnosti samega sistema in ne začetni pogoji.
Za naključna nihanja ima zunanja obremenitev naključno vrednost.
Osnovni parametri oscilatornih gibov
Vsi načini vibracij imajo določene značilnosti, ki jih je treba omeniti posebej.
Amplituda je največje odstopanje od ravnotežnega položaja, odstopanje nihajoče vrednosti, meri se v metrih.
Obdobje je čas enega polnega zamaha skoziki ponavlja značilnosti sistema, se izračuna v sekundah.
Frekvenca je določena s številom nihanj na enoto časa, je obratno sorazmerna z obdobjem nihanja.
Faza nihanja označuje stanje sistema.
Značilnost harmoničnih nihanj
Takšne vrste nihanj se pojavljajo po zakonu kosinusa ali sinusa. Fourieru je uspelo ugotoviti, da je vsako periodično nihanje mogoče predstaviti kot vsoto harmoničnih sprememb z razširitvijo določene funkcije v Fourierjevo vrsto.
Za primer si oglejte nihalo z določeno periodo in ciklično frekvenco.
Kaj je značilno za te vrste nihanj? Fizika meni, da je matematično nihalo idealiziran sistem, ki je sestavljen iz materialne točke, ki je obešena na breztežni neraztegljivi niti, niha pod vplivom gravitacije.
Takšne vrste vibracij imajo določeno količino energije, so pogoste v naravi in tehnologiji.
Pri dolgotrajnem nihajnem gibanju se spremeni koordinata njegovega masnega središča, pri izmeničnem toku pa se spremenita vrednost toka in napetosti v vezju.
Po fizični naravi obstajajo različne vrste harmoničnih nihanj: elektromagnetna, mehanska itd.
Tresenje vozila, ki se premika po neravni cesti, deluje kot prisilno nihanje.
Glavne razlike med prisilnim in brezplačnimnihanja
Te vrste elektromagnetnih nihanj se razlikujejo po fizikalnih lastnostih. Prisotnost srednjih upornih in tornih sil vodi do dušenja prostih nihanj. V primeru prisilnih nihanj se izgube energije kompenzirajo z njeno dodatno oskrbo iz zunanjega vira.
Doba vzmetnega nihala povezuje maso telesa in togost vzmeti. V primeru matematičnega nihala je odvisno od dolžine niti.
Z znano obdobje lahko izračunate naravno frekvenco nihajnega sistema.
V tehnologiji in naravi obstajajo nihanja z različnimi vrednostmi frekvence. Na primer, nihalo, ki niha v katedrali sv. Izaka v Sankt Peterburgu, ima frekvenco 0,05 Hz, medtem ko je za atome nekaj milijonov megahercev.
Po določenem času opazimo dušenje prostih nihanj. Zato se v realni praksi uporabljajo prisilna nihanja. Povpraševali so po različnih vibracijskih strojih. Vibracijsko kladivo je stroj z udarnimi vibracijami, ki je zasnovan za zabijanje cevi, pilotov in drugih kovinskih konstrukcij v tla.
Elektromagnetna nihanja
Karakterizacija načinov nihanja vključuje analizo glavnih fizičnih parametrov: naboj, napetost, jakost toka. Kot elementarni sistem, ki se uporablja za opazovanje elektromagnetnih nihanj, je nihajno vezje. Nastane z zaporedno povezavo tuljave in kondenzatorja.
Ko je vezje zaprto, prost elektromagnetnihanja, povezana s periodičnimi spremembami električnega naboja na kondenzatorju in toka v tuljavi.
Prosti so zaradi dejstva, da pri njihovem izvajanju ni zunanjega vpliva, ampak se uporablja samo energija, shranjena v samem vezju.
Če upoštevamo, da je upor tuljave enak nič, in vzamemo obdobje nihanja kot T, lahko upoštevamo eno popolno nihanje, ki ga naredi sistem.
V odsotnosti zunanjega vpliva po določenem času opazimo dušenje elektromagnetnega nihanja. Razlog za ta pojav bo postopno praznjenje kondenzatorja, pa tudi upor, ki ga tuljava dejansko ima.
Zato se v realnem krogu pojavljajo dušena nihanja. Zmanjšanje naboja na kondenzatorju vodi do zmanjšanja energetske vrednosti v primerjavi s prvotno vrednostjo. Postopoma se bo sprostil kot toplota na povezovalnih žicah in tuljavi, kondenzator se bo popolnoma izpraznil in elektromagnetno nihanje bo končano.
Pomen nihanj v znanosti in tehnologiji
Vsak gib, ki ima določeno stopnjo ponovitve, je nihanje. Na primer, za matematično nihalo je značilno sistematično odstopanje v obe smeri od prvotnega navpičnega položaja.
Za vzmetno nihalo en polni zamah ustreza njegovemu gibanju navzgor in navzdol od začetnega položaja.
V električnem vezju, ki ima kapacitivnost in induktivnost, se polnjenje ponovikondenzatorske plošče. Kaj je vzrok za nihajna gibanja? Nihalo deluje zaradi dejstva, da se zaradi gravitacije vrne v prvotni položaj. Pri modelu vzmeti podobno funkcijo opravlja elastična sila vzmeti. Ko preide ravnotežni položaj, ima tovor določeno hitrost, zato se po vztrajnosti premakne mimo povprečnega stanja.
Električna nihanja je mogoče razložiti s potencialno razliko, ki obstaja med ploščami napolnjenega kondenzatorja. Tudi ko je popolnoma izpraznjen, tok ne izgine, ampak se napolni.
Sodobna tehnologija uporablja nihanja, ki se bistveno razlikujejo po svoji naravi, stopnji ponavljanja, naravi in tudi »mehanizmu« videza.
Mehanske vibracije ustvarjajo strune glasbil, morski valovi, nihalo. Kemična nihanja, povezana s spremembo koncentracije reaktantov, se upoštevajo pri izvajanju različnih interakcij.
Elektromagnetna nihanja omogočajo ustvarjanje različnih tehničnih naprav, kot so telefoni, ultrazvočne medicinske naprave.
Nihanja svetlosti cefeidov so še posebej zanimiva v astrofiziki in znanstveniki iz različnih držav jih preučujejo.
Sklep
Vse vrste nihanj so tesno povezane z ogromnim številom tehničnih procesov in fizikalnih pojavov. Njihov praktični pomen je velik pri gradnji letal, ladjedelništvu, gradnji stanovanjskih kompleksov, elektrotehniki, radijski elektroniki, medicini in temeljni znanosti. Primer tipičnega nihajnega procesa vfiziologija spodbuja gibanje srčne mišice. Mehanske vibracije najdemo v organski in anorganski kemiji, meteorologiji in mnogih drugih naravoslovnih znanostih.
Prve študije matematičnega nihala so bile izvedene v sedemnajstem stoletju, do konca devetnajstega stoletja pa so znanstveniki uspeli ugotoviti naravo elektromagnetnih nihanj. Ruski znanstvenik Aleksander Popov, ki velja za "očeta" radijskih komunikacij, je svoje eksperimente izvajal ravno na podlagi teorije elektromagnetnih nihanj, rezultatov raziskav Thomsona, Huygensa in Rayleigha. Uspelo mu je najti praktično uporabo za elektromagnetna nihanja, da jih uporabi za prenos radijskega signala na velike razdalje.
Akademik P. N. Lebedev je vrsto let izvajal poskuse, povezane s proizvodnjo visokofrekvenčnih elektromagnetnih nihanj z uporabo izmeničnih električnih polj. Zahvaljujoč številnim poskusom, povezanim z različnimi vrstami vibracij, je znanstvenikom uspelo najti področja za njihovo optimalno uporabo v sodobni znanosti in tehnologiji.
