Naravne vibracije so procesi, za katere je značilna določena ponovljivost. To so na primer gibanje nihala ure, strune kitare, nog uglastega vilice, aktivnost srca.
Mehanske vibracije
Ob upoštevanju fizične narave so naravna nihanja lahko mehanska, elektromagnetna, elektromehanska. Oglejmo si prvi postopek podrobneje. Naravne vibracije se pojavijo v primerih, ko ni dodatnega trenja, ni zunanjih sil. Za takšna gibanja je značilna frekvenčna odvisnost le od značilnosti danega sistema.
Harmonični procesi
Ta naravna nihanja pomenijo spremembo nihajne količine v skladu s kosinusnim (sinusnim) zakonom. Analizirajmo najpreprostejšo obliko nihajnega sistema, sestavljenega iz kroglice, obešene na vzmet.
V tem primeru gravitacija uravnoteži elastičnost vzmeti. Po Hookeovem zakonu obstaja neposredna povezava med podaljškom vzmeti in silo, ki deluje na telo.
Lastnosti elastične sile
Lastna elektromagnetna nihanja v vezju so povezana z velikostjo vpliva na sistem. Sila elastičnosti, ki je sorazmerna premiku krogle iz ravnotežnega položaja, je usmerjena proti ravnotežnemu stanju. Gibanje žogice pod njenim vplivom lahko opišemo z zakonom kosinusa.
Obdobje naravnega nihanja bo določeno matematično.
V primeru vzmetnega nihala se pokaže odvisnost od njegove togosti, pa tudi od mase bremena. Obdobje naravnih nihanj v tem primeru lahko izračunamo po formuli.
Energija pri harmoničnem nihanju
Vrednost je konstantna, če ni sile trenja.
Ko pride do nihajnega gibanja, pride do periodične transformacije kinetične energije v potencialno vrednost.
Blašene oscilacije
Lastna elektromagnetna nihanja se lahko pojavijo, če na sistem ne vplivajo zunanje sile. Trenje prispeva k dušenju nihanj, opazimo zmanjšanje njihove amplitude.
Frekvenca lastnih nihanj v nihajnem krogu je povezana z lastnostmi sistema, pa tudi z intenzivnostjo izgub.
S povečanjem koeficienta dušenja opazimo povečanje obdobja oscilatornega gibanja.
Razmerje amplitud, ki so ločene z intervalom, enakim eni periodi, je konstantnovrednost skozi celoten proces. To razmerje se imenuje dekrement dušenja.
Naravne vibracije v nihajnem krogu so opisane z zakonom sinusov (kosinusov).
Obdobje nihanja je namišljena količina. Gibanje je aperiodično. Sistem, ki ga brez dodatnih nihanj odstranimo iz ravnotežnega položaja, se vrne v prvotno stanje. Način spravljanja sistema v ravnotežno stanje je določen z njegovimi začetnimi pogoji.
Resonance
Obdobje naravnih nihanj vezja je določeno s harmoničnim zakonom. Prisilna nihanja se pojavijo v sistemu pod delovanjem periodično spreminjajoče se sile. Pri sestavljanju enačbe gibanja se upošteva, da poleg silinskega učinka pri prostih tresljajih delujejo tudi takšne sile: upor medija, kvazielastična sila.
Resonanca je močno povečanje amplitude prisilnih nihanj, ko se frekvenca gonilne sile nagiba k naravni frekvenci telesa. Vse vibracije, ki se pojavijo v tem primeru, se imenujejo resonančne.
Če želite razkriti razmerje med amplitudo in zunanjo silo za prisilna nihanja, lahko uporabite eksperimentalno nastavitev. Ko ročico vrtite počasi, se obremenitev vzmeti premika navzgor in navzdol podobno kot točka njihovega vzmetenja.
Lastna elektromagnetna nihanja v nihajnem krogu je mogoče izračunati in druge fizične parametresistem.
Pri hitrejšem vrtenju se nihanja povečajo in ko je frekvenca vrtenja enaka naravni, se doseže največja vrednost amplitude. Z naknadnim povečanjem frekvence vrtenja se amplituda prisilnih nihanj analizirane obremenitve ponovno zmanjša.
resonančna značilnost
Z rahlim premikom ročaja tovor skoraj ne spremeni svojega položaja. Vzrok je v vztrajnosti vzmetnega nihala, ki ne dohaja zunanje sile, zato se opazi le »tresenje na mestu«.
Naravna frekvenca nihanja v krogu bo ustrezala močnemu povečanju amplitude frekvence zunanjega delovanja.
Graf takega pojava se imenuje resonančna krivulja. Lahko se šteje tudi za nihalo z žarilno nitko. Če na tirnico obesite masivno kroglo, pa tudi številna lahka nihala z različnimi dolžinami niti.
Vsako od teh nihal ima svojo frekvenco nihanja, ki jo lahko določimo na podlagi pospeška prostega pada, dolžine niti.
Če je žogica vzeta iz ravnotežja, pri čemer svetlobno nihalo ostane brez premikanja, nato pa ga sprostite, bo njegovo nihanje povzročilo periodično upogibanje tirnice. To bo povzročilo učinek periodično spreminjajoče se elastične sile na lahka nihala, zaradi česar bodo izvajala prisilna nihanja. Postopoma bodo vsi imeli enako amplitudo, ki bo resonanca.
Ta pojav lahko opazimo tudi pri metronomu, katerega osnova je povezananit z osjo nihala. V tem primeru se bo zanihal z največjo amplitudo, nato pa frekvenca nihala, ki "vleče" vrvico, ustreza frekvenci njegovih prostih nihanj.
Resonanca se pojavi, ko zunanja sila, ki deluje pravočasno s prostimi vibracijami, deluje s pozitivno vrednostjo. To vodi do povečanja amplitude nihajnega gibanja.
Pojav resonance poleg pozitivnega vpliva pogosto opravlja tudi negativno funkcijo. Na primer, če se jezik zvonca niha, je za zvok pomembno, da vrv deluje v skladu s prostimi nihajnimi gibi jezika.
Uporaba resonance
Delovanje merilnika frekvence reed temelji na resonanci. Naprava je predstavljena v obliki elastičnih plošč različnih dolžin, pritrjenih na eno skupno podlago.
V primeru stika merilnika frekvence z nihajnim sistemom, za katerega je potrebno določiti frekvenco, bo tista plošča, katere frekvenca je enaka izmerjeni, nihala z največjo amplitudo. Po vnosu platine v resonanco lahko izračunate frekvenco nihajnega sistema.
V osemnajstem stoletju, nedaleč od francoskega mesta Angers, se je odred vojakov v koraku premikal po verižnem mostu, katerega dolžina je bila 102 metra. Frekvenca njihovih korakov je dobila vrednost, ki je enaka frekvenci prostih tresljajev mostu, kar je povzročilo resonanco. Zaradi tega so se verige zlomile, viseči most se je zrušil.
Leta 1906 je bil iz istega razloga uničen egipčanski most v Sankt Peterburgu, po katerem se je premikala eskadrilja konjenikov. Da bi se izognili takšnim neprijetnim pojavom, zdaj sprečkajo most, vojaške enote gredo v prostem tempu.
Elektromagnetni pojavi
So med seboj povezana nihanja magnetnih in električnih polj.
Lastna elektromagnetna nihanja v vezju se pojavijo, ko je sistem vzet iz ravnovesja, na primer, ko se kondenzatorju prenese naboj, sprememba tokovne velikosti v vezju.
Elektromagnetna nihanja se pojavljajo v različnih električnih vezjih. V tem primeru oscilatorno gibanje izvajajo jakost toka, napetost, naboj, jakost električnega polja, magnetna indukcija in druge elektrodinamične količine.
Lahko jih obravnavamo kot dušena nihanja, saj se energija, ki se prenese v sistem, segreje.
Kot prisilna elektromagnetna nihanja so procesi v vezju, ki jih povzroča periodično spreminjajoča se zunanja sinusoidna elektromotorna sila.
Takšne procese opisujejo enaki zakoni kot pri mehanskih vibracijah, vendar imajo popolnoma drugačno fizično naravo. Električni pojavi so poseben primer elektromagnetnih procesov z močjo, napetostjo, izmeničnim tokom.
Nihalni krog
To je električni tokokrog, ki je sestavljen iz zaporedno povezanega induktorja, kondenzatorja z določeno kapacitivnostjo, upornega upora.
Ko je nihajno vezje v stabilnem ravnotežnem stanju, kondenzator nima naboja in električni tok ne teče skozi tuljavo.
Med glavnimi lastnostmielektromagnetna nihanja beležijo ciklično frekvenco, ki je druga izpeljanka naboja glede na čas. Faza elektromagnetnih nihanj je harmonična količina, opisana s sinusnim (kosinusnim) zakonom.
Obdobje v nihajnem krogu je določeno s Thomsonovo formulo, odvisno je od kapacitivnosti kondenzatorja, pa tudi od vrednosti induktivnosti tuljave s tokom. Tok v vezju se spreminja v skladu s sinusnim zakonom, tako da lahko določite fazni premik za določeno elektromagnetno valovanje.
izmenični tok
V okvirju, ki se vrti s konstantno kotno hitrostjo v enotnem magnetnem polju z določeno vrednostjo indukcije, se določi harmonična EMF. Po Faradayevem zakonu za elektromagnetno indukcijo jih določa sprememba magnetnega toka, je sinusna vrednost.
Ko je zunanji vir EMF priključen na nihajno vezje, se v njem pojavijo prisilna nihanja, ki se pojavljajo s ciklično frekvenco ώ, ki je po vrednosti enaka frekvenci samega vira. So neblaženi premiki, saj se ob naboju pojavi potencialna razlika, v vezju nastane tok in druge fizične količine. To povzroči harmonične spremembe napetosti, toka, ki se imenujejo pulzirajoče fizične količine.
Vrednost 50 Hz se vzame kot industrijska frekvenca izmeničnega toka. Za izračun količine toplote, ki se sprosti pri prehodu skozi vodnik izmeničnega toka, se največje vrednosti moči ne uporabljajo, saj se doseže le v določenih časovnih obdobjih. Za te namene se prijavitepovprečna moč, ki je razmerje med celotno energijo, ki prehaja skozi vezje v analiziranem obdobju, in njeno vrednostjo.
Vrednost izmeničnega toka ustreza konstanti, ki v določenem obdobju sprosti enako količino toplote kot izmenični tok.
Transformer
To je naprava, ki povečuje ali znižuje napetost brez znatne izgube električne energije. Ta zasnova je sestavljena iz več plošč, na katerih sta pritrjeni dve tuljavi z žičnimi navitji. Primarno je priključeno na vir izmenične napetosti, sekundarno pa na naprave, ki porabljajo električno energijo. Za takšno napravo se razlikuje razmerje transformacije. Pri povišanem transformatorju je manj kot ena, pri povišanem transformatorju pa se nagiba k 1.
Samodejne oscilacije
Tim pravimo sistemi, ki samodejno uravnavajo dobavo energije iz zunanjega vira. Procesi, ki potekajo v njih, se štejejo za periodična neublažena (samonihajna) dejanja. Takšni sistemi vključujejo cevni generator elektromagnetnih interakcij, zvonec, uro.
Obstajajo tudi primeri, ko različna telesa hkrati sodelujejo pri nihanjih v različnih smereh.
Če seštejete takšne gibe, ki imajo enake amplitude, lahko dobite harmonično nihanje z večjo amplitudo.
Po Fourierjevem izreku se nabor preprostih nihajnih sistemov, na katere je mogoče razgraditi kompleksen proces, šteje za harmonični spekter. Kaže amplitude in frekvence vseh enostavnih nihanj, vključenih vtak sistem. Najpogosteje se spekter odraža v grafični obliki.
Frekvence so označene na vodoravni osi, amplitude takšnih nihanj pa so prikazane vzdolž ordinatne osi.
Vsako oscilatorno gibanje: mehansko, elektromagnetno, za katerega so značilne določene fizikalne količine.
Najprej ti parametri vključujejo amplitudo, obdobje, frekvenco. Za vsak parameter obstajajo matematični izrazi, ki vam omogočajo izračune, kvantitativno izračunavanje želenih lastnosti.
