Dalam kehidupan seharian, seseorang sentiasa menghadapi manifestasi gerakan berayun. Ini adalah ayunan bandul dalam jam, getaran spring kereta dan keseluruhan kereta. Malah gempa bumi tidak lain hanyalah getaran kerak bumi. Bangunan tinggi juga bergoyang akibat tiupan angin yang kuat. Mari cuba cari cara fizik menerangkan fenomena ini.
Pendulum sebagai sistem berayun
Contoh gerakan berayun yang paling jelas ialah bandul jam dinding. Laluan bandul dari titik tertinggi di sebelah kiri ke titik tertinggi di sebelah kanan dipanggil hayunan penuhnya. Tempoh satu ayunan lengkap sedemikian dipanggil perimeter. Kekerapan ayunan ialah bilangan ayunan sesaat.
Untuk mengkaji ayunan, bandul benang ringkas digunakan, yang dibuat dengan menggantung bola logam kecil pada benang. Jika kita bayangkan bahawa bola adalah titik material, dan benang tidak mempunyai jisim mutlakfleksibiliti dan kekurangan geseran, anda akan mendapat pendulum teori yang dipanggil matematik.
Tempoh ayunan bandul "ideal" sedemikian boleh dikira menggunakan formula:
T=2π √ l / g, dengan l ialah panjang bandul, g ialah pecutan jatuh bebas.
Formula menunjukkan bahawa tempoh ayunan bandul tidak bergantung pada jisimnya dan tidak mengambil kira sudut sisihan daripada kedudukan keseimbangan.
Transformasi tenaga
Apakah mekanisme pergerakan bandul, berulang dengan tempoh tertentu walaupun hingga tak terhingga, jika tiada daya geseran dan rintangan, untuk mengatasi kerja tertentu yang diperlukan?
Pendulum mula berayun kerana tenaga yang diberikan kepadanya. Pada masa bandul diambil dari kedudukan menegak, kami memberikannya sejumlah tenaga berpotensi. Apabila bandul bergerak dari titik atasnya ke kedudukan awalnya, tenaga keupayaan ditukar kepada tenaga kinetik. Dalam kes ini, kelajuan bandul akan menjadi yang paling besar, kerana daya yang memberikan pecutan berkurangan. Disebabkan fakta bahawa dalam kedudukan awal kelajuan bandul adalah yang paling besar, ia tidak berhenti, tetapi dengan inersia bergerak lebih jauh di sepanjang lengkok bulatan ke ketinggian yang sama persis dengan ketinggian dari mana ia turun. Beginilah cara tenaga ditukar semasa gerakan berayun daripada potensi kepada kinetik.
Ketinggian bandul adalah sama dengan ketinggian penurunannya. Galileo membuat kesimpulan ini semasa menjalankan eksperimen dengan bandul, kemudian dinamakan sempena namanya.
Hayunan bandul adalah contoh yang tidak dapat dipertikaikan tentang hukum pemuliharaan tenaga. Dan ia dipanggil getaran harmonik.
Gelombang dan fasa sinus
Apakah itu gerakan berayun harmonik. Untuk melihat prinsip pergerakan tersebut, anda boleh menjalankan eksperimen berikut. Kami menggantung corong dengan pasir di palang. Di bawahnya kami meletakkan sehelai kertas, yang boleh dialihkan berserenjang dengan turun naik corong. Setelah menggerakkan corong, kami mengalihkan kertas.
Hasilnya ialah garis beralun yang ditulis dalam pasir - sinusoid. Ayunan ini, yang berlaku mengikut hukum sinus, dipanggil sinusoidal atau harmonik. Dengan turun naik sedemikian, sebarang kuantiti yang mencirikan pergerakan akan berubah mengikut hukum sinus atau kosinus.
Setelah meneliti sinusoid yang terbentuk pada kadbod, dapat diperhatikan bahawa pasir adalah lapisan pasir dalam pelbagai bahagiannya dengan ketebalan yang berbeza: di bahagian atas atau palung sinusoid, ia paling padat bertimbun. Ini menunjukkan bahawa pada titik ini kelajuan bandul adalah yang paling kecil, atau lebih tepatnya sifar, pada titik di mana bandul membalikkan gerakannya.
Konsep fasa memainkan peranan yang besar dalam kajian ayunan. Diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia, perkataan ini bermaksud "manifestasi". Dalam fizik, fasa ialah peringkat khusus proses berkala, iaitu tempat pada sinusoid di mana bandul berada pada masa ini.
Keragu-raguan
Jika sistem ayunan diberi pergerakan dan kemudian dihentikanpengaruh mana-mana daya dan tenaga, maka ayunan sistem sedemikian akan dipanggil bebas. Ayunan bandul, yang dibiarkan sendiri, secara beransur-ansur akan mula pudar, amplitud akan berkurangan. Pergerakan bandul bukan sahaja berubah (lebih cepat di bahagian bawah dan lebih perlahan di bahagian atas), tetapi juga tidak berubah secara seragam.
Dalam ayunan harmonik, daya yang memberikan pecutan bandul menjadi lebih lemah dengan penurunan jumlah sisihan daripada titik keseimbangan. Terdapat hubungan berkadar antara daya dan jarak pesongan. Oleh itu, getaran sedemikian dipanggil harmonik, di mana sudut sisihan daripada titik keseimbangan tidak melebihi sepuluh darjah.
Pergerakan paksa dan resonans
Untuk aplikasi praktikal dalam kejuruteraan, getaran tidak dibenarkan mereput, memberikan daya luaran kepada sistem berayun. Jika pergerakan berayun berlaku di bawah pengaruh luar, ia dipanggil terpaksa. Ayunan paksa berlaku dengan kekerapan yang ditetapkan oleh pengaruh luaran. Kekerapan daya luar yang bertindak mungkin bertepatan atau mungkin tidak dengan kekerapan ayunan semula jadi bandul. Apabila bertepatan, amplitud ayunan meningkat. Contoh peningkatan seperti itu ialah hayunan yang berlepas lebih tinggi jika, semasa pergerakan, anda memberi mereka pecutan, memukul rentak pergerakan mereka sendiri.
Fenomena dalam fizik ini dipanggil resonans dan sangat penting untuk aplikasi praktikal. Sebagai contoh, apabila menala penerima radio kepada gelombang yang dikehendaki, ia dibawa ke dalam resonans dengan stesen radio yang sepadan. Fenomena resonans juga mempunyai akibat negatif,membawa kepada kemusnahan bangunan dan jambatan.
Sistem sara diri
Selain getaran paksa dan bebas, terdapat juga ayunan diri. Ia berlaku dengan kekerapan sistem ayunan itu sendiri apabila terdedah kepada pemalar dan bukannya daya berubah. Contoh ayunan sendiri ialah jam, pergerakan bandul di dalamnya disediakan dan dikekalkan dengan melepaskan spring atau menurunkan beban. Apabila bermain biola, getaran semula jadi tali bertepatan dengan daya yang timbul daripada pengaruh busur, dan bunyi nada tertentu muncul.
Sistem berayun adalah pelbagai, dan kajian proses yang berlaku di dalamnya dalam eksperimen praktikal adalah menarik dan bermaklumat. Aplikasi praktikal gerakan berayun dalam kehidupan seharian, sains dan teknologi adalah pelbagai dan amat diperlukan: daripada hayunan hayunan kepada penghasilan enjin roket.
