Oscilatorno kretanje: definicija i primjeri

U svakodnevnom životu čovek se stalno susreće sa manifestacijama oscilatornog kretanja. Ovo je zamah klatna u satu, vibracije auto opruga i celog automobila. Čak ni zemljotres nije ništa drugo do vibracije Zemljine kore. Visoke zgrade takođe fluktuiraju od jakih udara vjetra. Pokušajmo shvatiti kako fizika objašnjava ovaj fenomen.

Klatno kao oscilatorni sistem

Najočigledniji primer oscilatornog kretanja je klatno zidnog sata. Prolaz klatna od najviše tačke s lijeve strane do najviše tačke s desne strane naziva se njegovom potpunom oscilacijom. Period jedne takve potpune oscilacije nazvan je perimetar. Frekvencija oscilacije je broj izvedenih oscilacija u sekundi.

Za proučavanje oscilacija koristi se jednostavno navojno klatno koje se pravi vješanjem male metalne kugle na konac. Ako zamislimo da je lopta materijalna tačka, a konac nema masu sa apsolutnom fleksibilnošću i bez trenja, onda dobijamo teorijsko, takozvano matematičko klatno.

Period oscilacije takvog" idealnog " klatna može se izračunati po formuli:

T = 2π √ l / g,

gde je l dužina klatna, g — ubrzanje slobodnog pada.

Iz formule se vidi da period oscilacije klatna ne zavisi od njegove mase i ne uzima u obzir ugao odstupanja od ravnotežnog položaja.

Transformacija energije

Koji je mehanizam kretanja klatna, koji se ponavlja sa određenim periodom, čak i do beskonačnosti, ako nije bilo sila trenja i otpora, za prevazilaženje kojih je potreban određeni rad?

Klatno počinje oscilirati zbog energije koja mu se saopštava. U trenutku kada se klatno povuče iz vertikalnog položaja, obavještavamo ga o određenoj rezervi potencijalne energije. Kada se klatno pomeri od gornje tačke do početne pozicije, potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju. Istovremeno, brzina klatna postat će najveća, jer se ubrzanje izvještavanja sile smanjuje. Zbog činjenice da je u početnom položaju brzina klatna najveća, ono se ne zaustavlja, već se po inerciji kreće dalje duž luka kruga do potpuno iste visine kao i ona s koje se spuštalo. Tako dolazi do transformacije energije tokom oscilatornog kretanja iz potencijalnog u kinetičko.

Visina podizanja klatna jednaka je visini njegovog spuštanja. Do ovog zaključka došao je Galileo, izvodeći eksperiment sa klatnom, kasnije nazvanim po njemu.

Oscilacije klatna su neosporan primjer zakona održanja energije. I zovu se harmonijske oscilacije.

Sinusoid i faza

Šta je harmonično oscilatorno kretanje. Da biste vidjeli princip takvog pokreta, možete provesti sljedeći eksperiment. Na prečku objesimo lijevak s pijeskom. Ispod njega stavljamo list papira koji se može pomjeriti okomito na vibracije lijevka. Nakon što smo pokrenuli lijevak, pomjeramo papir.

Rezultat je talasasta linija napisana pijeskom - sinusni Val. Takve oscilacije koje se dešavaju u skladu sa zakonom sinusa nazivaju se sinusoidne ili harmonične. Sa takvim fluktuacijama, svaka veličina koja karakteriše kretanje će se promeniti u skladu sa zakonom sinusa ili kosinusa.

Uzimajući u obzir sinusoidu formiranu na kartonu, može se primijetiti da je pijesak sloj pijeska na različitim dijelovima različite debljine: na vrhu ili šupljini sinusoide, izliven je najgušće. Ovo sugeriše da je u tim tačkama brzina klatna bila najmanja, odnosno nula, u onim tačkama gde je klatno promenilo kretanje u suprotno.

Koncept faze igra veliku ulogu u proučavanju oscilacija. Prevedeno na ruski, ova riječ znači "manifestacija". U fizici, faza je specifična faza periodičnog procesa, odnosno mesto na sinusnom talasu gde se trenutno nalazi klatno.

Oklijevanje na slobodi

Ako se oscilatornom sistemu da kretanje, a zatim se zaustavi efekat svih sila i energija, tada će se vibracije takvog sistema nazvati slobodnim. Oscilacije klatna, koje su prepuštene sebi, postepeno će početi blijediti, amplituda će se smanjivati. Kretanje klatna nije samo varijabilno (brže na dnu i sporije na vrhu), ali i varijabla nije ujednačena.

U harmonijskim oscilacijama, sila koja daje ubrzanje klatna postaje slabija sa smanjenjem veličine odstupanja od tačke ravnoteže. Postoji proporcionalna veza između sile i udaljenosti otklona. Dakle, harmonijske oscilacije, jesu li oni u kojima ugao odstupanja od tačke ravnoteže ne prelazi deset stepeni.

Prisilno kretanje i rezonanca

Za praktičnu upotrebu u inženjerstvu, vibracije ne smiju izblijediti, dajući vanjsku silu oscilirajućem sistemu. Ako se oscilatorno kretanje dešava pod spoljnim uticajem, ono se naziva prisilno. Prisilne oscilacije se javljaju sa frekvencijom da su postavljene spoljnim uticajem. Frekvencija vanjske sile koja djeluje može se, ali i ne mora podudarati s frekvencijom vlastitih oscilacija klatna. Kada amplituda oscilovanja se poklapa , povećava se. Primjer takvog povećanja je zamah, koji raste više ako im date ubrzanje dok se kreću, udarajući u ritmu vlastitog pokreta.

Ovaj fenomen se u fizici naziva rezonancom i od velike je važnosti za praktičnu primjenu. Na primjer, prilikom podešavanja radio prijemnika na željeni talas, on se dovodi u rezonanciju sa odgovarajućom radio stanicom. Rezonantni fenomen također ima negativne posljedice, što dovodi do uništavanja zgrada i mostova.

Samodovoljni sistemi

Pored prisilnih i slobodnih oscilacija, postoje i samooscilacije. Javljaju se sa frekvencijom samog oscilirajućeg sistema kada je izložen konstanti, a ne varijabilnoj sili. Primjer samooscilacije je sat, kretanje klatna u kojem se obezbjeđuje i podržava odmotavanjem opruge ili spuštanjem opterećenja. Prilikom sviranja violine, prirodne vibracije žica poklapaju se sa silom koja proizilazi iz udara luka i zvukom određenog ključa.

Oscilatorni sistemi su različiti, a proučavanje procesa koji se u njima dešavaju u praktičnim eksperimentima je zanimljivo i informativno. Praktična primjena oscilatornog kretanja u svakodnevnom životu, nauci i tehnologiji je različita i nezamjenjiva: od ljuljanja do proizvodnje raketnih motora.