Er zijn verschillende soorten oscillaties in de natuurkunde, gekenmerkt door bepaalde parameters. Overweeg hun belangrijkste verschillen, classificatie volgens verschillende factoren.
Basisdefinities
Onder fluctuatie wordt een proces bedoeld waarbij met regelmatige tussenpozen de hoofdkenmerken van het uurwerk dezelfde waarden hebben.
Periodieke oscillaties zijn die waarin de waarden van de basisgrootheden zich met regelmatige tussenpozen herhalen (oscillatieperiode).
Rassen van oscillerende processen
Laten we eens kijken naar de belangrijkste soorten oscillaties die in de fundamentele fysica voorkomen.
Gratis trillingen zijn trillingen die optreden in een systeem dat niet onderhevig is aan externe variabele invloeden na de eerste schok.
Een voorbeeld van vrije oscillatie is een wiskundige slinger.
Die soorten mechanische trillingen die in het systeem optreden onder invloed van een externe variabele kracht.
Kenmerken van classificatie
Naar fysieke aard worden de volgende soorten oscillerende bewegingen onderscheiden:
- mechanisch;
- thermisch;
- elektromagnetisch;
- gemengd.
Volgens de mogelijkheid van interactie met de omgeving
Soorten fluctuaties in interactie met de omgeving zijn onderverdeeld in verschillende groepen.
Geforceerde oscillaties verschijnen in het systeem onder invloed van een externe periodieke actie. Als voorbeelden van dit soort trillingen kunnen we de beweging van handen, bladeren aan bomen beschouwen.
Voor geforceerde harmonische oscillaties kan een resonantie optreden, waarbij, met gelijke waarden van de frequentie van de externe invloed en de oscillator, met een sterke toename in amplitude.
Eigen trillingen in het systeem onder invloed van interne krachten nadat het uit evenwicht is geraakt. De eenvoudigste variant van vrije trillingen is de beweging van een last die aan een draad is opgehangen of aan een veer is bevestigd.
Zelfoscillaties zijn typen waarbij het systeem een bepaalde hoeveelheid potentiële energie heeft die wordt gebruikt om oscillaties te maken. Hun onderscheidende kenmerk is het feit dat de amplitude wordt gekenmerkt door de eigenschappen van het systeem zelf, en niet door de beginvoorwaarden.
Voor willekeurige fluctuaties heeft de externe belasting een willekeurige waarde.
Basisparameters van oscillerende bewegingen
Alle trillingsmodi hebben bepaalde kenmerken die apart vermeld moeten worden.
De amplitude is de maximale afwijking van de evenwichtspositie, de afwijking van een fluctuerende waarde, het wordt gemeten in meters.
Periode is de tijd van één volledige zwaai, doordie systeemkenmerken herha alt, wordt in seconden berekend.
Frequentie wordt bepaald door het aantal oscillaties per tijdseenheid, het is omgekeerd evenredig met de oscillatieperiode.
De oscillatiefase kenmerkt de toestand van het systeem.
Kenmerk van harmonische oscillaties
Dergelijke oscillaties treden op volgens de wet van cosinus of sinus. Fourier is erin geslaagd vast te stellen dat elke periodieke oscillatie kan worden weergegeven als een som van harmonische veranderingen door een bepaalde functie uit te breiden tot een Fourier-reeks.
Beschouw als voorbeeld een slinger met een bepaalde periode en cyclische frequentie.
Wat kenmerkt dit soort fluctuaties? De natuurkunde beschouwt de wiskundige slinger als een geïdealiseerd systeem, dat bestaat uit een materiële punt, die aan een gewichtloze, onrekbare draad hangt, oscilleert onder invloed van de zwaartekracht.
Dergelijke trillingen hebben een bepaalde hoeveelheid energie, ze komen veel voor in de natuur en technologie.
Bij langdurige oscillerende beweging verandert de coördinaat van het massamiddelpunt en bij wisselstroom verandert de waarde van stroom en spanning in het circuit.
Er zijn verschillende soorten harmonische oscillaties door fysieke aard: elektromagnetisch, mechanisch, enz.
Het schudden van een voertuig dat op een oneffen weg rijdt, werkt als een geforceerde trilling.
Belangrijkste verschillen tussen gedwongen en gratisfluctuaties
Dit soort elektromagnetische oscillaties verschillen in fysieke kenmerken. De aanwezigheid van gemiddelde weerstand en wrijvingskrachten leiden tot demping van vrije trillingen. In het geval van gedwongen oscillaties worden energieverliezen gecompenseerd door de extra toevoer van een externe bron.
De periode van een veerslinger heeft betrekking op de massa van het lichaam en de stijfheid van de veer. In het geval van een wiskundige slinger hangt dit af van de lengte van de draad.
Met een bekende periode kun je de eigenfrequentie van het oscillerende systeem berekenen.
In technologie en natuur zijn er schommelingen met verschillende frequentiewaarden. De slinger die oscilleert in de St. Isaac's Cathedral in St. Petersburg heeft bijvoorbeeld een frequentie van 0,05 Hz, terwijl deze voor atomen enkele miljoenen megahertz is.
Na een bepaalde tijd wordt demping van vrije trillingen waargenomen. Daarom worden in de praktijk geforceerde oscillaties gebruikt. Ze zijn gewild in een verscheidenheid aan vibratiemachines. De trilhamer is een schok-trillingsmachine die is ontworpen om buizen, palen en andere metalen constructies in de grond te slaan.
Elektromagnetische oscillaties
Karakterisering van oscillatiemodi omvat de analyse van de belangrijkste fysieke parameters: lading, spanning, stroomsterkte. Als een elementair systeem, dat wordt gebruikt om elektromagnetische oscillaties waar te nemen, is een oscillerend circuit. Het wordt gevormd door een spoel en een condensator in serie te schakelen.
Wanneer het circuit gesloten is, vrij elektromagnetischfluctuaties in verband met periodieke veranderingen in de elektrische lading op de condensator en de stroom in de spoel.
Ze zijn gratis vanwege het feit dat wanneer ze worden uitgevoerd, er geen externe invloed is, maar alleen de energie die in het circuit zelf is opgeslagen, wordt gebruikt.
Als we de weerstand van de spoel als nul beschouwen en de oscillatieperiode als T nemen, kunnen we één volledige oscillatie beschouwen die door het systeem is gemaakt.
Bij afwezigheid van externe invloeden wordt na een bepaalde tijd de demping van de elektromagnetische oscillatie waargenomen. De reden voor dit fenomeen zal de geleidelijke ontlading van de condensator zijn, evenals de weerstand die de spoel daadwerkelijk heeft.
Daarom treden gedempte trillingen op in een echt circuit. Het verminderen van de lading op de condensator leidt tot een afname van de energiewaarde in vergelijking met de oorspronkelijke waarde. Geleidelijk zal het worden vrijgegeven als warmte op de verbindingsdraden en spoel, de condensator zal volledig worden ontladen en de elektromagnetische oscillatie zal worden voltooid.
Het belang van fluctuaties in wetenschap en technologie
Alle bewegingen met een zekere mate van herhaling zijn oscillaties. Een wiskundige slinger wordt bijvoorbeeld gekenmerkt door een systematische afwijking in beide richtingen van de oorspronkelijke verticale positie.
Voor een veerslinger komt één volledige zwaai overeen met de beweging op en neer vanuit de beginpositie.
In een elektrisch circuit met capaciteit en inductantie is er een herhaling van lading aancondensator platen. Wat is de oorzaak van oscillerende bewegingen? De slinger functioneert doordat de zwaartekracht ervoor zorgt dat hij terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie. In het geval van een veermodel wordt een soortgelijke functie uitgevoerd door de elastische kracht van de veer. Bij het passeren van de evenwichtspositie heeft de belasting een bepaalde snelheid, daarom beweegt deze door traagheid voorbij de gemiddelde toestand.
Elektrische oscillaties kunnen worden verklaard door het potentiaalverschil dat bestaat tussen de platen van een geladen condensator. Zelfs wanneer hij volledig ontladen is, verdwijnt de stroom niet, hij wordt opgeladen.
Moderne technologie maakt gebruik van fluctuaties die aanzienlijk verschillen in hun aard, mate van herhaling, aard en ook het "mechanisme" van uiterlijk.
Mechanische trillingen worden gemaakt door snaren van muziekinstrumenten, zeegolven, een slinger. Bij het uitvoeren van verschillende interacties wordt rekening gehouden met chemische fluctuaties die samenhangen met een verandering in de concentratie van reactanten.
Elektromagnetische oscillaties maken het mogelijk om verschillende technische apparaten te creëren, zoals telefoons, ultrasone medische apparaten.
De helderheidsfluctuaties van Cepheïden zijn van bijzonder belang in de astrofysica, en wetenschappers uit verschillende landen bestuderen ze.
Conclusie
Alle soorten oscillaties zijn nauw verwant aan een groot aantal technische processen en fysieke verschijnselen. Hun praktische belang is groot in de vliegtuigbouw, scheepsbouw, de bouw van wooncomplexen, elektrotechniek, radio-elektronica, geneeskunde en fundamentele wetenschap. Een voorbeeld van een typisch oscillerend proces infysiologie bevordert de beweging van de hartspier. Mechanische trillingen komen voor in organische en anorganische chemie, meteorologie en vele andere natuurwetenschappen.
De eerste studies van de wiskundige slinger werden uitgevoerd in de zeventiende eeuw en tegen het einde van de negentiende eeuw waren wetenschappers in staat om de aard van elektromagnetische oscillaties vast te stellen. De Russische wetenschapper Alexander Popov, die wordt beschouwd als de 'vader' van de radiocommunicatie, voerde zijn experimenten uit precies op basis van de theorie van elektromagnetische oscillaties, de resultaten van onderzoek van Thomson, Huygens en Rayleigh. Hij slaagde erin een praktische toepassing te vinden voor elektromagnetische trillingen, om ze te gebruiken om een radiosignaal over een lange afstand uit te zenden.
Academisch wetenschapper P. N. Lebedev voerde jarenlang experimenten uit met betrekking tot de productie van hoogfrequente elektromagnetische oscillaties met behulp van wisselende elektrische velden. Dankzij talrijke experimenten met betrekking tot verschillende soorten trillingen, zijn wetenschappers erin geslaagd om gebieden te vinden voor optimaal gebruik in moderne wetenschap en technologie.
