Ve fyzice existují různé typy oscilací, které se vyznačují určitými parametry. Zvažte jejich hlavní rozdíly, klasifikaci podle různých faktorů.
Základní definice
Pod fluktuací se rozumí proces, ve kterém mají hlavní charakteristiky pohybu v pravidelných intervalech stejné hodnoty.
Periodické oscilace jsou takové, při kterých se hodnoty základních veličin opakují v pravidelných intervalech (období oscilace).
Různé oscilační procesy
Uvažujme o hlavních typech oscilací, které existují ve fundamentální fyzice.
Volné vibrace jsou takové, které se vyskytují v systému, který není vystaven vnějším proměnlivým vlivům po počátečním otřesu.
Příkladem volné oscilace je matematické kyvadlo.
Tyto typy mechanických vibrací, které se vyskytují v systému působením vnější proměnné síly.
Vlastnosti klasifikace
Podle fyzikální povahy se rozlišují následující typy oscilačních pohybů:
- mechanické;
- termální;
- elektromagnetické;
- smíšené.
Podle možnosti interakce s prostředím
Typy kolísání v interakci s prostředím se dělí do několika skupin.
Vynucené oscilace se objevují v systému působením externí periodické akce. Jako příklady tohoto druhu oscilace můžeme považovat pohyb rukou, listí na stromech.
U vynucených harmonických kmitů se může objevit rezonance, při které se při stejných hodnotách frekvence vnějšího vlivu a oscilátoru prudce zvýší amplituda.
Vlastní vibrace v systému pod vlivem vnitřních sil po jeho vyvedení z rovnováhy. Nejjednodušší verzí volných vibrací je pohyb břemene, které je zavěšeno na závitu nebo připevněno k pružině.
Samooscilace jsou typy, ve kterých má systém určité množství potenciální energie použité k vytváření oscilací. Jejich charakteristickým rysem je skutečnost, že amplituda je charakterizována vlastnostmi samotného systému, nikoli počátečními podmínkami.
Pro náhodné výkyvy má externí zatížení náhodnou hodnotu.
Základní parametry oscilačních pohybů
Všechny režimy vibrací mají určité charakteristiky, které by měly být zmíněny samostatně.
Amplituda je maximální odchylka od rovnovážné polohy, odchylka kolísavé hodnoty, měří se v metrech.
Období je doba jednoho plného švihukterý opakuje charakteristiky systému, se počítá v sekundách.
Frekvence je určena počtem oscilací za jednotku času, je nepřímo úměrná periodě oscilací.
Fáze oscilace charakterizuje stav systému.
Charakteristika harmonických oscilací
K takovým typům oscilací dochází podle zákona kosinusu nebo sinusu. Fourierovi se podařilo prokázat, že jakákoli periodická oscilace může být reprezentována jako součet harmonických změn rozšířením určité funkce do Fourierovy řady.
Jako příklad uvažujme kyvadlo s určitou periodou a cyklickou frekvencí.
Co charakterizuje tyto typy fluktuací? Fyzika považuje matematické kyvadlo za idealizovaný systém, který se skládá z hmotného bodu, který je zavěšen na beztížné neroztažitelné niti, kmitá vlivem gravitace.
Takové typy vibrací mají určité množství energie, jsou běžné v přírodě a technologii.
Při delším oscilačním pohybu se mění souřadnice jeho těžiště a při střídavém proudu se mění hodnota proudu a napětí v obvodu.
Existují různé typy harmonických oscilací podle fyzikální povahy: elektromagnetické, mechanické atd.
Otřesy vozidla, které se pohybuje po nerovné vozovce, působí jako nucené kmitání.
Hlavní rozdíly mezi nuceným a volnýmkolísání
Tyto typy elektromagnetických oscilací se liší fyzikálními vlastnostmi. Přítomnost středního odporu a třecích sil vede k tlumení volných oscilací. V případě nucených oscilací jsou ztráty energie kompenzovány jejím dodatečným napájením z externího zdroje.
Perioda kyvadla pružiny souvisí s hmotností těla a tuhostí pružiny. V případě matematického kyvadla záleží na délce závitu.
Se známou periodou můžete vypočítat vlastní frekvenci oscilačního systému.
V technologii a přírodě dochází ke kolísání s různými hodnotami frekvence. Například kyvadlo, které kmitá v katedrále svatého Izáka v Petrohradě, má frekvenci 0,05 Hz, zatímco pro atomy je to několik milionů megahertzů.
Po určité době je pozorováno tlumení volných oscilací. Proto se v reálné praxi používají vynucené oscilace. Jsou žádané u různých vibračních strojů. Vibrační kladivo je rázově vibrační stroj, který je určen pro zarážení potrubí, pilot a jiných kovových konstrukcí do země.
Elektromagnetické oscilace
Charakterizace módů oscilace zahrnuje analýzu hlavních fyzikálních parametrů: náboj, napětí, proudová síla. Jako elementární systém, který se používá k pozorování elektromagnetických kmitů, je oscilační obvod. Vzniká spojením cívky a kondenzátoru v sérii.
Když je obvod uzavřen, bez elektromagnetického polekolísání spojené s periodickými změnami elektrického náboje na kondenzátoru a proudu v cívce.
Jsou zdarma, protože při jejich provádění nedochází k žádnému vnějšímu vlivu, ale využívá se pouze energie uložená v samotném obvodu.
Považujeme-li odpor cívky za nulový a periodu oscilace bereme jako T, můžeme uvažovat o jedné kompletní oscilaci provedené systémem.
Při nepřítomnosti vnějšího vlivu je po určité době pozorováno tlumení elektromagnetického kmitání. Důvodem tohoto jevu bude postupné vybíjení kondenzátoru a také odpor, který cívka skutečně má.
Proto dochází ve skutečném obvodu k tlumeným oscilacím. Snížením náboje na kondenzátoru dochází ke snížení energetické hodnoty ve srovnání s jeho původní hodnotou. Postupně se uvolní jako teplo na propojovacích vodičích a cívce, kondenzátor se zcela vybije a elektromagnetické kmitání se dokončí.
Význam fluktuací ve vědě a technice
Jakékoli pohyby, které mají určitý stupeň opakování, jsou oscilace. Například matematické kyvadlo se vyznačuje systematickou odchylkou v obou směrech od původní vertikální polohy.
U pružinového kyvadla odpovídá jeden plný výkyv jeho pohybu nahoru a dolů z výchozí polohy.
V elektrickém obvodu, který má kapacitu a indukčnost, dochází k opakování nabíjení nakondenzátorové desky. Co je příčinou oscilačních pohybů? Kyvadlo funguje díky tomu, že gravitace způsobuje jeho návrat do původní polohy. V případě pružinového modelu plní podobnou funkci pružná síla pružiny. Při procházení rovnovážné polohy má zátěž určitou rychlost, proto se setrvačností pohybuje za průměrným stavem.
Elektrické oscilace lze vysvětlit rozdílem potenciálů, který existuje mezi deskami nabitého kondenzátoru. I když je úplně vybitá, proud nezmizí, ale je znovu nabitý.
Moderní technologie využívá výkyvy, které se výrazně liší svou povahou, stupněm opakování, povahou a také „mechanismem“vzhledu.
Mechanické vibrace vytvářejí struny hudebních nástrojů, mořské vlny, kyvadlo. Při provádění různých interakcí se berou v úvahu chemické fluktuace spojené se změnou koncentrace reaktantů.
Elektromagnetické oscilace umožňují vytváření různých technických zařízení, jako jsou telefony, ultrazvukové lékařské přístroje.
Výkyvy jasnosti cefeid jsou v astrofyzice zvláštního zájmu a vědci z různých zemí je studují.
Závěr
Všechny typy oscilací úzce souvisí s velkým množstvím technických procesů a fyzikálních jevů. Jejich praktický význam je velký při stavbě letadel, lodí, výstavbě obytných komplexů, elektrotechnice, radioelektronice, medicíně a základní vědě. Příklad typického oscilačního procesu vfyziologie podporuje pohyb srdečního svalu. Mechanické vibrace se vyskytují v organické a anorganické chemii, meteorologii a mnoha dalších přírodních vědách.
První studie matematického kyvadla byly provedeny v sedmnáctém století a na konci devatenáctého století byli vědci schopni zjistit povahu elektromagnetických oscilací. Ruský vědec Alexander Popov, který je považován za „otce“radiokomunikací, prováděl své experimenty právě na základě teorie elektromagnetických oscilací, výsledků výzkumu Thomsona, Huygense a Rayleigha. Podařilo se mu najít praktickou aplikaci pro elektromagnetické oscilace, využít je k přenosu rádiového signálu na velkou vzdálenost.
Akademik P. N. Lebedev po mnoho let prováděl experimenty související s výrobou vysokofrekvenčních elektromagnetických oscilací pomocí střídavých elektrických polí. Díky četným experimentům souvisejícím s různými druhy vibrací se vědcům podařilo najít oblasti pro jejich optimální využití v moderní vědě a technice.
