In het dagelijks leven komt een persoon voortdurend manifestaties van oscillerende beweging tegen. Dit is de zwaai van de slinger in de klok, de trillingen van autoveren en de hele auto. Zelfs een aardbeving is niets anders dan trillingen van de aardkorst. Ook hoge gebouwen deinen door sterke windstoten. Laten we proberen uit te zoeken hoe de natuurkunde dit fenomeen verklaart.
Slinger als oscillerend systeem
Het meest voor de hand liggende voorbeeld van oscillerende beweging is de slinger van de wandklok. De passage van de slinger van het hoogste punt aan de linkerkant naar het hoogste punt aan de rechterkant wordt de volledige slag genoemd. De periode van zo'n volledige oscillatie wordt de omtrek genoemd. De oscillatiefrequentie is het aantal oscillaties per seconde.
Om trillingen te bestuderen, wordt een eenvoudige draadslinger gebruikt, die wordt gemaakt door een kleine metalen bal aan een draad te hangen. Als we ons voorstellen dat de bal een materieel punt is en de draad absoluut geen massa heeft?flexibiliteit en gebrek aan wrijving, je krijgt een theoretische, zogenaamde wiskundige slinger.
De oscillatieperiode van zo'n "ideale" slinger kan worden berekend met de formule:
T=2π √ l / g, waar l de lengte van de slinger is, is g de versnelling van de vrije val.
De formule laat zien dat de oscillatieperiode van de slinger niet afhangt van zijn massa en geen rekening houdt met de afwijkingshoek van de evenwichtspositie.
Transformatie van energie
Wat is het mechanisme van slingerbewegingen, herhalend met een bepaalde periode, zelfs tot in het oneindige, als er geen wrijvings- en weerstandskrachten zouden zijn, om te overwinnen waarvoor een bepaald werk vereist is?
De slinger begint te oscilleren vanwege de energie die eraan wordt gegeven. Op het moment dat de slinger uit de verticale stand wordt gehaald, geven we hem een bepaalde hoeveelheid potentiële energie. Wanneer de slinger van zijn hoogste punt naar zijn beginpositie beweegt, wordt potentiële energie omgezet in kinetische energie. In dit geval zal de snelheid van de slinger het grootst worden, omdat de versnellingskracht afneemt. Vanwege het feit dat in de beginpositie de snelheid van de slinger het grootst is, stopt hij niet, maar beweegt hij door traagheid verder langs de boog van een cirkel tot precies dezelfde hoogte als die van waaruit hij afdaalde. Dit is hoe energie tijdens oscillerende beweging wordt omgezet van potentiaal naar kinetisch.
De hoogte van de slinger is gelijk aan de hoogte van zijn verlaging. Galileo kwam tot deze conclusie tijdens een experiment met een slinger, die later naar hem werd genoemd.
De zwaai van een slinger is een onbetwistbaar voorbeeld van de wet van behoud van energie. En ze worden harmonische trillingen genoemd.
Sinusgolf en fase
Wat is een harmonische oscillerende beweging. Om het principe van een dergelijke beweging te zien, kunt u het volgende experiment uitvoeren. Aan de dwarsbalk hangen we een trechter met zand. Eronder leggen we een vel papier, dat loodrecht op de fluctuaties van de trechter kan worden verschoven. Nadat we de trechter in beweging hebben gezet, verschuiven we het papier.
Het resultaat is een golvende lijn geschreven in zand - een sinusoïde. Deze oscillaties, die optreden in overeenstemming met de wet van de sinus, worden sinusoïdaal of harmonisch genoemd. Met dergelijke fluctuaties zal elke grootheid die de beweging kenmerkt, veranderen volgens de wet van sinus of cosinus.
Na onderzoek van de sinusoïde gevormd op het karton, kan worden opgemerkt dat het zand een laag zand is in zijn verschillende secties van verschillende diktes: aan de bovenkant of het dal van de sinusoïde was het het dichtst opgestapeld. Dit suggereert dat op deze punten de snelheid van de slinger het kleinst was, of liever nul, op die punten waar de slinger zijn beweging omkeerde.
Het concept van fase speelt een grote rol in de studie van oscillaties. Vertaald in het Russisch betekent dit woord "manifestatie". In de natuurkunde is een fase een specifieke fase van een periodiek proces, dat wil zeggen de plaats op de sinusoïde waar de slinger zich momenteel bevindt.
Aarzelingen los
Als het oscillerende systeem beweging krijgt en vervolgens stoptde invloed van eventuele krachten en energieën, dan zullen de trillingen van zo'n systeem vrij worden genoemd. De oscillaties van de slinger, die aan zichzelf wordt overgelaten, zullen geleidelijk beginnen te vervagen, de amplitude zal afnemen. De beweging van de slinger is niet alleen variabel (sneller onderaan en langzamer bovenaan), maar ook niet uniform variabel.
Bij harmonische oscillaties wordt de kracht die de slingerversnelling geeft zwakker naarmate de afwijking van het evenwichtspunt afneemt. Er is een evenredig verband tussen kracht en doorbuigingsafstand. Daarom worden dergelijke trillingen harmonisch genoemd, waarbij de afwijkingshoek van het evenwichtspunt niet groter is dan tien graden.
Geforceerde beweging en resonantie
Voor praktische toepassing in de techniek mogen trillingen niet vervallen, waardoor een externe kracht op het oscillerende systeem wordt uitgeoefend. Als de oscillerende beweging plaatsvindt onder invloed van buitenaf, wordt dit geforceerd genoemd. Geforceerde oscillaties treden op met de frequentie die een externe invloed hen instelt. De frequentie van de werkende externe kracht kan al dan niet samenvallen met de frequentie van de natuurlijke oscillaties van de slinger. Bij samenvallen neemt de amplitude van de oscillaties toe. Een voorbeeld van zo'n toename is een zwaai die hoger opstijgt als je ze tijdens beweging versnelling geeft en op het ritme van hun eigen beweging slaat.
Dit fenomeen in de natuurkunde wordt resonantie genoemd en is van groot belang voor praktische toepassingen. Bij het afstemmen van bijvoorbeeld een radio-ontvanger op de gewenste golf wordt deze in resonantie gebracht met het bijbehorende radiostation. Het fenomeen resonantie heeft ook negatieve gevolgen,wat leidt tot de vernietiging van gebouwen en bruggen.
Zelfvoorzienende systemen
Naast geforceerde en vrije trillingen zijn er ook zelftrillingen. Ze treden op met de frequentie van het oscillerende systeem zelf wanneer ze worden blootgesteld aan een constante in plaats van een variabele kracht. Een voorbeeld van zelfoscillaties is een klok, de beweging van de slinger waarin wordt voorzien en gehandhaafd door de veer af te wikkelen of de last te laten zakken. Bij het spelen van viool vallen de natuurlijke trillingen van de snaren samen met de kracht die ontstaat door de invloed van de strijkstok, en er verschijnt een geluid met een bepaalde tonaliteit.
Oscillerende systemen zijn divers en de studie van de processen die daarin plaatsvinden in praktische experimenten is interessant en informatief. De praktische toepassing van oscillerende beweging in het dagelijks leven, wetenschap en technologie is divers en onmisbaar: van schommels tot de productie van raketmotoren.
