Terdapat pelbagai jenis ayunan dalam fizik, dicirikan oleh parameter tertentu. Pertimbangkan perbezaan utama mereka, pengelasan mengikut faktor yang berbeza.
Takrifan asas
Di bawah turun naik bermaksud proses di mana pada selang masa yang tetap ciri-ciri utama pergerakan mempunyai nilai yang sama.
Ayunan berkala ialah ayunan di mana nilai kuantiti asas berulang pada selang masa yang tetap (tempoh ayunan).
Pelbagai proses berayun
Mari kita pertimbangkan jenis ayunan utama yang wujud dalam fizik asas.
Getaran percuma ialah yang berlaku dalam sistem yang tidak tertakluk kepada pengaruh pembolehubah luaran selepas kejutan awal.
Contoh ayunan bebas ialah bandul matematik.
Jenis getaran mekanikal yang berlaku dalam sistem di bawah tindakan daya pembolehubah luaran.
Ciri pengelasan
Menurut sifat fizikal, jenis pergerakan berayun berikut dibezakan:
- mekanikal;
- termal;
- elektromagnet;
- bercampur.
Mengikut pilihan interaksi dengan persekitaran
Jenis turun naik dalam interaksi dengan persekitaran dibahagikan kepada beberapa kumpulan.
Ayunan paksa muncul dalam sistem di bawah tindakan tindakan berkala luaran. Sebagai contoh ayunan jenis ini, kita boleh mempertimbangkan pergerakan tangan, daun pada pokok.
Untuk ayunan harmonik paksa, resonans mungkin muncul, di mana, dengan nilai yang sama frekuensi pengaruh luaran dan pengayun, dengan peningkatan amplitud yang mendadak.
Getaran sendiri dalam sistem di bawah pengaruh daya dalaman selepas ia dikeluarkan daripada keseimbangan. Varian paling mudah bagi getaran bebas ialah pergerakan beban yang digantung pada benang atau dilekatkan pada spring.
Ayunan sendiri ialah jenis di mana sistem mempunyai sejumlah tenaga berpotensi yang digunakan untuk membuat ayunan. Ciri membezakannya ialah hakikat bahawa amplitud dicirikan oleh sifat sistem itu sendiri, dan bukan oleh keadaan awal.
Untuk turun naik rawak, beban luaran mempunyai nilai rawak.
Parameter asas pergerakan berayun
Semua mod getaran mempunyai ciri tertentu yang harus dinyatakan secara berasingan.
Amplitud ialah sisihan maksimum daripada kedudukan keseimbangan, sisihan nilai turun naik, ia diukur dalam meter.
Tempoh ialah masa satu ayunan penuh, melaluiyang mengulangi ciri sistem, dikira dalam beberapa saat.
Kekerapan ditentukan oleh bilangan ayunan setiap unit masa, ia adalah berkadar songsang dengan tempoh ayunan.
Fasa ayunan mencirikan keadaan sistem.
Ciri ayunan harmonik
Jenis ayunan sedemikian berlaku mengikut hukum kosinus atau sinus. Fourier berjaya membuktikan bahawa sebarang ayunan berkala boleh diwakili sebagai jumlah perubahan harmonik dengan mengembangkan fungsi tertentu menjadi siri Fourier.
Sebagai contoh, pertimbangkan bandul dengan tempoh tertentu dan kekerapan kitaran.
Apakah yang mencirikan jenis turun naik ini? Fizik menganggap bandul matematik sebagai sistem ideal, yang terdiri daripada titik material, yang digantung pada benang tidak dapat dipanjangkan tanpa berat, berayun di bawah pengaruh graviti.
Jenis getaran sedemikian mempunyai jumlah tenaga tertentu, ia adalah perkara biasa dalam alam semula jadi dan teknologi.
Dengan gerakan ayunan yang berpanjangan, koordinat pusat jisimnya berubah, dan dengan arus ulang alik, nilai arus dan voltan dalam litar berubah.
Terdapat pelbagai jenis ayunan harmonik mengikut sifat fizikal: elektromagnet, mekanikal, dsb.
Gegaran kenderaan yang bergerak di atas jalan yang kasar bertindak sebagai ayunan paksa.
Perbezaan utama antara paksa dan percumaturun naik
Jenis ayunan elektromagnet ini berbeza dalam ciri fizikal. Kehadiran rintangan sederhana dan daya geseran membawa kepada redaman ayunan bebas. Dalam kes ayunan paksa, kehilangan tenaga diimbangi oleh bekalan tambahannya daripada sumber luaran.
Tempoh bandul spring mengaitkan jisim badan dan kekakuan spring. Dalam kes bandul matematik, ia bergantung pada panjang benang.
Dengan tempoh yang diketahui, anda boleh mengira frekuensi semula jadi sistem ayunan.
Dalam teknologi dan alam semula jadi, terdapat turun naik dengan nilai frekuensi yang berbeza. Sebagai contoh, bandul yang berayun di Katedral St. Isaac di St. Petersburg mempunyai frekuensi 0.05 Hz, manakala bagi atom ia adalah beberapa juta megahertz.
Selepas tempoh masa tertentu, redaman ayunan bebas diperhatikan. Itulah sebabnya ayunan paksa digunakan dalam amalan sebenar. Mereka dalam permintaan dalam pelbagai mesin getaran. Tukul getaran ialah mesin getaran kejutan yang direka untuk memacu paip, cerucuk dan struktur logam lain ke dalam tanah.
Ayunan elektromagnet
Pencirian mod ayunan melibatkan analisis parameter fizikal utama: cas, voltan, kekuatan arus. Sebagai sistem asas, yang digunakan untuk memerhati ayunan elektromagnet, adalah litar berayun. Ia dibentuk dengan menyambungkan gegelung dan kapasitor secara bersiri.
Apabila litar ditutup, bebaskan elektromagnetturun naik yang berkaitan dengan perubahan berkala dalam cas elektrik pada kapasitor dan arus dalam gegelung.
Ia bebas kerana fakta bahawa apabila ia dilakukan tidak ada pengaruh luaran, tetapi hanya tenaga yang disimpan dalam litar itu sendiri digunakan.
Jika kita menganggap rintangan gegelung adalah sifar, dan mengambil tempoh ayunan sebagai T, kita boleh mempertimbangkan satu ayunan lengkap yang dibuat oleh sistem.
Jika tiada pengaruh luar, selepas tempoh masa tertentu, redaman ayunan elektromagnet diperhatikan. Sebab bagi fenomena ini ialah nyahcas kapasitor secara beransur-ansur, serta rintangan yang sebenarnya ada pada gegelung.
Itulah sebabnya ayunan lembap berlaku dalam litar sebenar. Mengurangkan cas pada kapasitor membawa kepada penurunan dalam nilai tenaga berbanding dengan nilai asalnya. Secara beransur-ansur, ia akan dilepaskan sebagai haba pada wayar penyambung dan gegelung, kapasitor akan dinyahcas sepenuhnya, dan ayunan elektromagnet akan selesai.
Kepentingan turun naik dalam sains dan teknologi
Sebarang pergerakan yang mempunyai tahap pengulangan tertentu adalah ayunan. Contohnya, bandul matematik dicirikan oleh sisihan sistematik dalam kedua-dua arah daripada kedudukan menegak asal.
Untuk bandul spring, satu hayunan penuh sepadan dengan pergerakannya ke atas dan ke bawah dari kedudukan awal.
Dalam litar elektrik yang mempunyai kemuatan dan kearuhan, terdapat pengulangan cas padaplat kapasitor. Apakah punca pergerakan berayun? Bandul berfungsi kerana graviti menyebabkannya kembali ke kedudukan asalnya. Dalam kes model spring, fungsi yang serupa dilakukan oleh daya kenyal spring. Melepasi kedudukan keseimbangan, beban mempunyai kelajuan tertentu, oleh itu, dengan inersia, ia bergerak melepasi keadaan purata.
Ayunan elektrik boleh dijelaskan oleh beza keupayaan yang wujud antara plat kapasitor bercas. Walaupun ia dinyahcas sepenuhnya, arus tidak hilang, ia dicas semula.
Teknologi moden menggunakan turun naik yang berbeza secara ketara dalam sifat, tahap pengulangan, sifat dan juga "mekanisme" penampilan.
Getaran mekanikal dibuat oleh tali alat muzik, ombak laut, bandul. Turun naik kimia yang berkaitan dengan perubahan dalam kepekatan bahan tindak balas diambil kira semasa menjalankan pelbagai interaksi.
Ayunan elektromagnet membolehkan penciptaan pelbagai peranti teknikal, seperti telefon, peranti perubatan ultrasonik.
Turun naik kecerahan Cepheid sangat diminati dalam astrofizik dan saintis dari negara berbeza sedang mengkajinya.
Kesimpulan
Semua jenis ayunan berkait rapat dengan sejumlah besar proses teknikal dan fenomena fizikal. Kepentingan praktikal mereka sangat besar dalam pembinaan pesawat, pembinaan kapal, pembinaan kompleks kediaman, kejuruteraan elektrik, elektronik radio, perubatan, dan sains asas. Contoh proses ayunan biasa dalamfisiologi menyokong pergerakan otot jantung. Getaran mekanikal ditemui dalam kimia organik dan bukan organik, meteorologi, dan banyak lagi sains semula jadi.
Kajian pertama tentang bandul matematik telah dijalankan pada abad ketujuh belas, dan menjelang akhir abad kesembilan belas, saintis dapat mewujudkan sifat ayunan elektromagnet. Saintis Rusia Alexander Popov, yang dianggap sebagai "bapa" komunikasi radio, menjalankan eksperimennya dengan tepat berdasarkan teori ayunan elektromagnet, hasil penyelidikan oleh Thomson, Huygens, dan Rayleigh. Dia berjaya mencari aplikasi praktikal untuk ayunan elektromagnet, untuk menggunakannya untuk menghantar isyarat radio pada jarak yang jauh.
Akademik P. N. Lebedev selama bertahun-tahun menjalankan eksperimen yang berkaitan dengan penghasilan ayunan elektromagnet frekuensi tinggi menggunakan medan elektrik berselang-seli. Terima kasih kepada banyak eksperimen yang berkaitan dengan pelbagai jenis getaran, saintis telah berjaya mencari kawasan untuk kegunaan optimum mereka dalam sains dan teknologi moden.
