Oscilatorno gibanje: definicija i primjeri

U svakodnevnom životu osoba se stalno susreće s manifestacijama oscilatornog pokreta. Ovo je njihanje njihala u satu, oscilacije opruga automobila i cijelog automobila. Čak ni potres nije ništa drugo do kolebanje zemljine kore. Visoke zgrade također osciliraju od jakih udara vjetra. Pokušajmo shvatiti kako fizika objašnjava ovaj fenomen.

Njihalo kao oscilatorni sustav

Najočitiji primjer oscilatornog gibanja je klatno zidnog sata. Prolazak njihala od najviše točke s lijeve strane do najviše točke s desne strane naziva se njegovim potpunim oscilacijama. Razdoblje jedne takve potpune oscilacije naziva se perimetar. Frekvencija oscilacije je broj oscilacija u sekundi.

Za proučavanje vibracija koristi se jednostavno njihalo od niti, koje se izrađuje vješanjem male metalne kuglice na nit. Ako zamislimo da je lopta materijalna točka, a nit nema masu s apsolutnom fleksibilnošću i bez trenja, dobit ćemo teorijsko, takozvano matematičko njihalo.

Razdoblje oscilacije takvog" idealnog " njihala može se izračunati formulom:

T = 2π √ l / g,

gdje je iPhone duljina pendela, iPhone — ubrzanje gravitacije.

Iz formule se vidi da razdoblje oscilacije njihala ne ovisi o njegovoj masi i ne uzima u obzir kut odstupanja od ravnotežnog položaja.

Pretvaranje energije

Koji je mehanizam pokreta njihala koji se ponavljaju s određenim razdobljem, čak i do beskonačnosti, ako ne postoji sila trenja i otpora, za prevladavanje kojih je potreban određeni rad?

Njihalo počinje vršiti oscilatorno kretanje zbog energije koja mu je priopćena. U trenutku uklanjanja njihala iz okomitog položaja, obavještavamo ga o određenoj rezervi potencijalne energije. Kad se njihalo pomakne s gornje točke u početni položaj, potencijalna energija prelazi u kinetičku. U tom će slučaju brzina njihala postati najveća, jer se sila koja izvještava o ubrzanju smanjuje. Zbog činjenice da je u početnom položaju brzina njihala najveća, on se ne zaustavlja, već se po inerciji kreće dalje duž kružnog luka do potpuno iste visine kao ona s koje je potonuo. Tako se energija tijekom oscilatornog gibanja pretvara iz potencijalne u kinetičku.

Visina podizanja njihala jednaka je visini njegovog spuštanja. Galileo je do ovog zaključka došao provodeći eksperiment s klatnom, kasnije nazvanim po njemu.

Oscilacije njihala neosporni su primjer zakona očuvanja energije. A nazivaju se harmonijskim vibracijama.

Sinusni val i faza

Što je harmonijsko oscilatorno gibanje. Da biste vidjeli Princip takvog pokreta, možete provesti sljedeći eksperiment. Na prečku objesimo lijevak s pijeskom. Ispod njega stavljamo list papira koji se može pomicati okomito na vibracije lijevka. Nakon pokretanja lijevka, pomaknite papir.

Rezultat je valovita linija napisana pijeskom-sinusni val. Takve vibracije koje se javljaju u skladu sa zakonom sinusa nazivaju se sinusoidnim ili harmonijskim. S takvim oscilacijama, svaka količina koja karakterizira gibanje promijenit će se prema zakonu sinusa ili kosinusa.

Razmatrajući sinusoid formiran na kartonu, može se primijetiti da je pijesak da je sloj pijeska na različitim dijelovima različite debljine: na vrhu ili udubljenju sinusoida bio je izliven najgušće. To sugerira da je u tim točkama brzina njihala bila najmanja, točnije nula, na mjestima gdje je njihalo preokrenulo gibanje.

Koncept faze igra ogromnu ulogu u proučavanju oscilacija. Prevedeno na ruski jezik, ova riječ znači "manifestacija". U fizici se faza odnosi na određenu fazu bilo kojeg periodičnog procesa, odnosno na mjesto na sinusoidu gdje se trenutno nalazi njihalo.

Oscilacije na slobodi

Ako se oscilatornom sustavu daje pokret, a zatim se zaustavi utjecaj svih sila i energija, tada će se vibracije takvog sustava nazvati slobodnim. Oscilacije njihala, koje su prepuštene same sebi, postupno će početi propadati, amplituda će se smanjivati. Kretanje njihala nije samo varijabilno (brže na dnu i sporije na vrhu), već i varijabilno nije jednoliko.

U harmoničnim oscilacijama, sila koja daje klatnu ubrzanje postaje slabija kako se količina odstupanja od točke ravnoteže smanjuje. Postoji proporcionalni odnos između sile i udaljenosti otklona. Stoga se takve vibracije nazivaju harmonijskim, pod kojim kut odstupanja od točke ravnoteže ne prelazi deset stupnjeva.

Prisilni pokret i rezonancija

Za praktičnu primjenu u tehnologiji, oscilacije se ne smiju prigušiti, dajući vibracijskom sustavu vanjsku silu. Ako se oscilatorno gibanje dogodi pod vanjskim utjecajem, naziva se prisilnim. Prisilne oscilacije javljaju se s frekvencijom koju im postavlja vanjski utjecaj. Frekvencija primijenjene vanjske sile može se ili ne mora podudarati s frekvencijom prirodnih oscilacija njihala. Kada se podudara amplituda oscilacija povećava. Primjer takvog povećanja su ljuljačke koje se podižu više ako im se tijekom kretanja daje ubrzanje udarajući u ritam vlastitog pokreta.

Taj se fenomen u fizici naziva rezonancija i od velike je važnosti za praktičnu primjenu. Na primjer, pri podešavanju radija na željeni val, on odjekuje odgovarajućom radio stanicom. Fenomen rezonancije ima i negativne posljedice, što dovodi do uništenja zgrada i mostova.

Samodostatni sustavi

Osim prisilnih i slobodnih vibracija, postoje i samo-oscilacije. Javljaju se na frekvenciji samog oscilirajućeg sustava kada je izložen konstantnoj, a ne promjenjivoj sili. Primjer samo-oscilacija je sat u kojem se kretanje njihala osigurava i održava odmotavanjem opruge ili spuštanjem tereta. Pri sviranju violine vlastite vibracije žica podudaraju se sa silom koja proizlazi iz utjecaja luka i pojavljuje se zvuk određenog ključa.

Oscilatorni sustavi su raznoliki, a proučavanje procesa koji se u njima odvijaju u praktičnim eksperimentima zanimljivo je i informativno. Praktična primjena oscilirajućeg gibanja u svakodnevnom životu, znanosti i tehnologiji različita je i nezamjenjiva: od ljuljanja ljuljačke do proizvodnje raketnih motora.