V každodenním životě se člověk neustále setkává s projevy oscilačního pohybu. Jedná se o houpání kyvadla v hodinách, vibrace automobilových pružin a celého vozu. Ani zemětřesení není nic jiného než vibrace zemské kůry. Výškové budovy se také houpou od silných poryvů větru. Zkusme přijít na to, jak fyzika vysvětluje tento jev.
Kyvadlo jako oscilační systém
Nejviditelnějším příkladem oscilačního pohybu je kyvadlo nástěnných hodin. Průchod kyvadla z nejvyššího bodu vlevo do nejvyššího bodu vpravo se nazývá jeho plný švih. Doba jednoho takového úplného kmitu se nazývá perimetr. Frekvence oscilací je počet oscilací za sekundu.
Pro studium kmitů se používá jednoduché závitové kyvadlo, které se vyrábí zavěšením malé kovové kuličky na nit. Pokud si představíme, že koule je hmotný bod a nit nemá absolutně žádnou hmotnostpružnost a nedostatek tření, získáte teoretické, tzv. matematické kyvadlo.
Dobu oscilace takového "ideálního" kyvadla lze vypočítat pomocí vzorce:
T=2π √ l / g, kde l je délka kyvadla, g je zrychlení volného pádu.
Vzorec ukazuje, že doba kmitání kyvadla nezávisí na jeho hmotnosti a nebere v úvahu úhel odchylky od rovnovážné polohy.
Transformace energie
Jaký je mechanismus kyvadlových pohybů, opakujících se s určitou periodou až do nekonečna, pokud by neexistovaly žádné třecí a odporové síly, k jejichž překonání je potřeba určitá práce?
Kyvadlo začne kmitat vlivem energie, která je mu předána. Ve chvíli, kdy se kyvadlo vzdálí ze svislé polohy, dáme mu určitou potenciální energii. Když se kyvadlo pohybuje z horního bodu do své výchozí polohy, potenciální energie se přeměňuje na kinetickou energii. V tomto případě se rychlost kyvadla stane největší, protože zrychlení přenášené silou klesá. Vzhledem k tomu, že ve výchozí poloze je rychlost kyvadla největší, nezastaví se, ale setrvačností se posouvá dále po oblouku kružnice do přesně stejné výšky, ze které sestoupilo. Takto se energie přeměňuje během oscilačního pohybu z potenciální na kinetickou.
Výška kyvadla se rovná výšce jeho spuštění. Galileo k tomuto závěru dospěl při provádění experimentu s kyvadlem, které bylo později po něm pojmenováno.
Houpání kyvadla je nesporným příkladem zákona zachování energie. Říká se jim harmonické vibrace.
Sinusovka a fáze
Co je harmonický oscilační pohyb. Chcete-li vidět princip takového pohybu, můžete provést následující experiment. Na hrazdu zavěsíme trychtýř s pískem. Pod něj vložíme list papíru, který lze posouvat kolmo na kolísání trychtýře. Po uvedení trychtýře do pohybu posuneme papír.
Výsledkem je vlnovka napsaná v písku – sinusoida. Tyto oscilace, vyskytující se v souladu se zákonem sinusovým, se nazývají sinusové nebo harmonické. S takovými výkyvy se jakákoli veličina charakterizující pohyb změní podle zákona sinusového nebo kosinusového.
Po prozkoumání sinusoidy vytvořené na kartonu lze poznamenat, že písek je vrstva písku v různých částech různé tloušťky: na vrcholu nebo v úžlabí sinusoidy byl nejhustěji nahromaděn. To naznačuje, že v těchto bodech byla rychlost kyvadla nejmenší, nebo spíše nulová, v těch bodech, kde kyvadlo obrátilo svůj pohyb.
Pojem fáze hraje obrovskou roli při studiu oscilací. V překladu do ruštiny toto slovo znamená „projev“. Ve fyzice je fáze specifickým stupněm periodického procesu, to znamená místem na sinusoidě, kde se aktuálně nachází kyvadlo.
Váhání na svobodě
Pokud se oscilačnímu systému dá pohyb a poté se zastavívliv jakýchkoli sil a energií, pak budou oscilace takového systému nazývány volnými. Kmity kyvadla, které je ponecháno samo sobě, začnou postupně slábnout, amplituda se bude snižovat. Pohyb kyvadla je nejen proměnlivý (rychlejší dole a pomalejší nahoře), ale také není rovnoměrně proměnný.
V harmonických oscilacích síla, která způsobuje zrychlení kyvadla, slábne se snížením velikosti odchylky od rovnovážného bodu. Existuje proporcionální vztah mezi silou a vzdáleností vychýlení. Proto se takové vibrace nazývají harmonické, při kterých úhel odchylky od rovnovážného bodu nepřesahuje deset stupňů.
Vynucený pohyb a rezonance
Pro praktické použití ve strojírenství není dovoleno, aby vibrace upadaly a udělovaly oscilačnímu systému vnější sílu. Pokud k oscilačnímu pohybu dochází pod vnějším vlivem, nazývá se vynucený. Vynucené oscilace se vyskytují s frekvencí, kterou je nastavuje vnější vliv. Frekvence působící vnější síly se může, ale nemusí shodovat s frekvencí vlastních kmitů kyvadla. Při koincidenci se amplituda kmitů zvyšuje. Příkladem takového zvýšení je švih, který vzlétne výše, pokud jim během pohybu dáte zrychlení a zasáhnete tak rytmus jejich vlastního pohybu.
Tento jev ve fyzice se nazývá rezonance a má velký význam pro praktické aplikace. Například při ladění rádiového přijímače na požadovanou vlnu je tato uvedena do rezonance s odpovídající rozhlasovou stanicí. Fenomén rezonance má také negativní důsledky,vedoucí ke zničení budov a mostů.
Soběstačné systémy
Kromě vynucených a volných vibrací existují také vlastní oscilace. Vyskytují se s frekvencí samotného oscilačního systému, když je vystaven spíše konstantní než proměnlivé síle. Příkladem samokmitů jsou hodiny, jejichž pohyb kyvadla je zajišťován a udržován odvíjením pružiny nebo spouštěním zátěže. Při hře na housle se přirozené vibrace strun shodují se silou vznikající vlivem smyčce a objevuje se zvuk určité tonality.
Oscilační systémy jsou rozmanité a studium procesů v nich probíhajících v praktických experimentech je zajímavé a poučné. Praktické využití oscilačního pohybu v každodenním životě, vědě a technice je rozmanité a nepostradatelné: od houpaček až po výrobu raketových motorů.
