ישנם סוגים שונים של תנודות בפיזיקה, המאופיינים בפרמטרים מסוימים. שקול את ההבדלים העיקריים ביניהם, סיווג לפי גורמים שונים.
הגדרות בסיסיות
תחת תנודות הכוונה לתהליך שבו בפרקי זמן קבועים יש למאפיינים העיקריים של התנועה אותם ערכים.
תנודות תקופתיות הן אלו שבהן ערכי הכמויות הבסיסיות חוזרות על עצמן במרווחים קבועים (תקופת תנודה).
מגוון של תהליכים נדנודים
בואו נשקול את סוגי התנודות העיקריים הקיימים בפיזיקה הבסיסית.
רעידות חופשיות הן אלו המתרחשות במערכת שאינה נתונה להשפעות משתנות חיצוניות לאחר ההלם הראשוני.
דוגמה לתנודה חופשית היא מטוטלת מתמטית.
אותם סוגי רעידות מכניות המתרחשות במערכת תחת פעולת כוח משתנה חיצוני.
תכונות הסיווג
באופן הפיזי, ניתן להבחין בין הסוגים הבאים של תנועות תנודות:
- מכני;
- thermal;
- electromagnetic;
- mixed.
לפי אפשרות האינטראקציה עם הסביבה
סוגי תנודות באינטראקציה עם הסביבה מחולקים למספר קבוצות.
תנודות מאולצות מופיעות במערכת בפעולה של פעולה תקופתית חיצונית. כדוגמאות לסוג זה של תנודה, אנו יכולים לשקול את תנועת הידיים, עלים על עצים.
עבור תנודות הרמוניות מאולצות, עשויה להופיע תהודה, שבה, עם ערכים שווים של תדר ההשפעה החיצונית ושל המתנד, עם עלייה חדה באמפליטודה.
רעידות עצמיות במערכת בהשפעת כוחות פנימיים לאחר הוצאתה משיווי משקל. הגרסה הפשוטה ביותר של רעידות חופשיות היא תנועה של עומס התלוי על חוט או מחובר לקפיץ.
תנודות עצמיות הן סוגים שבהם למערכת יש כמות מסוימת של אנרגיה פוטנציאלית המשמשת ליצירת תנודות. המאפיין המבחין שלהם הוא העובדה שהמשרעת מאופיינת בתכונות המערכת עצמה, ולא בתנאים ההתחלתיים.
עבור תנודות אקראיות, לעומס החיצוני יש ערך אקראי.
פרמטרים בסיסיים של תנועות תנודות
לכל מצבי הרטט יש מאפיינים מסוימים שיש לציין בנפרד.
המשרעת היא הסטייה המקסימלית ממיקום שיווי המשקל, הסטייה של ערך משתנה, היא נמדדת במטרים.
תקופה היא הזמן של תנופה אחת מלאה, דרךשחוזר על מאפייני המערכת, מחושב בשניות.
תדירות נקבעת לפי מספר התנודות ליחידת זמן, היא ביחס הפוך לתקופת התנודה.
שלב התנודה מאפיין את מצב המערכת.
אופייני לתנודות הרמוניות
סוגים כאלה של תנודות מתרחשים על פי חוק הקוסינוס או הסינוס. פורייה הצליח לקבוע שכל תנודה מחזורית יכולה להיות מיוצגת כסכום של שינויים הרמוניים על ידי הרחבת פונקציה מסוימת לסדרת פורייה.
כדוגמה, שקול מטוטלת עם תקופה מסוימת ותדירות מחזורית.
מה מאפיין סוגי תנודות אלה? הפיזיקה מחשיבה את המטוטלת המתמטית כמערכת אידאלית, המורכבת מנקודה חומרית, התלויה על חוט בלתי מתרחב חסר משקל, מתנודדת בהשפעת כוח הכבידה.
לסוגים כאלה של רעידות יש כמות מסוימת של אנרגיה, הם נפוצים בטבע ובטכנולוגיה.
עם תנועת תנודה ממושכת, הקואורדינטה של מרכז המסה שלו משתנה, ועם זרם חילופין, ערך הזרם והמתח במעגל משתנה.
ישנם סוגים שונים של תנודות הרמוניות על פי הטבע הפיזי: אלקטרומגנטיות, מכניות וכו'.
הרעידה של רכב שנע בכביש משובש פועל כתנודה מאולצת.
הבדלים עיקריים בין כפוי לחופשיתנודות
סוגים אלה של תנודות אלקטרומגנטיות שונות במאפיינים פיזיקליים. נוכחותם של כוחות התנגדות וחיכוך בינוניים מובילים לשיכוך תנודות חופשיות. במקרה של תנודות מאולצות, הפסדי אנרגיה מפוצים על ידי אספקה נוספת שלו ממקור חיצוני.
התקופה של מטוטלת קפיץ מתייחסת למסת הגוף ולקשיחות הקפיץ. במקרה של מטוטלת מתמטית, זה תלוי באורך החוט.
עם תקופה ידועה, אתה יכול לחשב את התדר הטבעי של המערכת המתנודדת.
בטכנולוגיה ובטבע, יש תנודות עם ערכי תדר שונים. לדוגמה, למטוטלת המתנדנדת בקתדרלת סנט אייזק בסנט פטרבורג יש תדר של 0.05 הרץ, בעוד שלאטומים היא מספר מיליוני מגה-הרץ.
לאחר פרק זמן מסוים, נצפה שיכוך של תנודות חופשיות. לכן נעשה שימוש בתנודות מאולצות בפועל. הם מבוקשים במגוון מכונות רטט. הפטיש הרטט הוא מכונת רעידות זעזועים המיועדת להנחת צינורות, כלונסאות ומבני מתכת אחרים לתוך האדמה.
תנודות אלקטרומגנטיות
אפיון מצבי תנודה כולל ניתוח של הפרמטרים הפיזיקליים העיקריים: מטען, מתח, חוזק זרם. כמערכת אלמנטרית, המשמשת לצפייה בתנודות אלקטרומגנטיות, היא מעגל תנודה. הוא נוצר על ידי חיבור סליל וקבל בסדרה.
כאשר המעגל סגור, אלקטרומגנטי חופשיתנודות הקשורות לשינויים תקופתיים במטען החשמלי על הקבל ובזרם בסליל.
הם חופשיים בשל העובדה שכאשר הם מבוצעים אין השפעה חיצונית, אלא משתמשים רק באנרגיה האצורה במעגל עצמו.
אם ניקח את ההתנגדות של הסליל לאפס, וניקח את תקופת התנודה כ-T, נוכל לשקול תנודה אחת שלמה שנעשתה על ידי המערכת.
בהיעדר השפעה חיצונית, לאחר פרק זמן מסוים, נצפה שיכוך התנודה האלקטרומגנטית. הסיבה לתופעה זו תהיה פריקה הדרגתית של הקבל, כמו גם ההתנגדות שיש לסליל בפועל.
לכן מתרחשות תנודות מעוכות במעגל אמיתי. הפחתת המטען על הקבל מובילה לירידה בערך האנרגיה בהשוואה לערכו המקורי. בהדרגה, הוא ישתחרר כחום על חוטי החיבור והסליל, הקבל יפרק לחלוטין, והתנודה האלקטרומגנטית תושלם.
החשיבות של תנודות במדע ובטכנולוגיה
כל תנועות שיש להן מידה מסוימת של חזרה הן תנודות. לדוגמה, מטוטלת מתמטית מאופיינת בסטייה שיטתית בשני הכיוונים מהמיקום האנכי המקורי.
עבור מטוטלת קפיצית, תנופה אחת מלאה תואמת את התנועה שלה למעלה ולמטה מהמיקום ההתחלתי.
במעגל חשמלי שיש לו קיבול והשראות, יש חזרה על הטעינה עללוחות קבלים. מה הגורם לתנועות תנודות? המטוטלת מתפקדת בשל העובדה שכוח המשיכה גורם לה לחזור למיקומה המקורי. במקרה של דגם קפיץ, פונקציה דומה מבוצעת על ידי הכוח האלסטי של הקפיץ. עובר את מיקום שיווי המשקל, לעומס יש מהירות מסוימת, ולכן, על ידי אינרציה, הוא עובר את המצב הממוצע.
ניתן להסביר תנודות חשמליות בהפרש הפוטנציאל הקיים בין הלוחות של קבל טעון. גם כשהוא פרוק לחלוטין, הזרם לא נעלם, הוא נטען מחדש.
טכנולוגיה מודרנית משתמשת בתנודות השונות באופן משמעותי באופי, במידת החזרה, באופי שלהן וגם ב"מנגנון" המראה.
רעידות מכניות מיוצרות על ידי מיתרים של כלי נגינה, גלי ים, מטוטלת. תנודות כימיות הקשורות לשינוי בריכוז המגיבים נלקחות בחשבון בעת ביצוע אינטראקציות שונות.
תנודות אלקטרומגנטיות מאפשרות יצירת מכשירים טכניים שונים, כגון טלפונים, מכשירים רפואיים קוליים.
תנודות הבהירות של קפאידים מעוררות עניין מיוחד באסטרופיזיקה, ומדענים ממדינות שונות חוקרים אותן.
מסקנה
כל סוגי התנודות קשורים קשר הדוק למספר עצום של תהליכים טכניים ותופעות פיזיקליות. חשיבותם המעשית רבה בבניית מטוסים, בניית ספינות, בניית מתחמי מגורים, הנדסת חשמל, רדיו אלקטרוניקה, רפואה ומדע יסוד. דוגמה לתהליך תנודה טיפוסי בהפיזיולוגיה מעדיפה את התנועה של שריר הלב. תנודות מכניות נמצאות בכימיה אורגנית ואנאורגנית, מטאורולוגיה ומדעי הטבע רבים אחרים.
המחקרים הראשונים של המטוטלת המתמטית בוצעו במאה השבע-עשרה, ועד סוף המאה התשע-עשרה הצליחו מדענים לבסס את טבען של תנודות אלקטרומגנטיות. המדען הרוסי אלכסנדר פופוב, שנחשב ל"אבא" של תקשורת הרדיו, ערך את הניסויים שלו בדיוק על בסיס תיאוריית התנודות האלקטרומגנטיות, תוצאות מחקר של תומסון, הויגנס וריילי. הוא הצליח למצוא יישום מעשי לתנודות אלקטרומגנטיות, להשתמש בהן כדי לשדר אות רדיו למרחקים ארוכים.
האקדמאי P. N. Lebedev ערך במשך שנים רבות ניסויים הקשורים לייצור תנודות אלקטרומגנטיות בתדר גבוה באמצעות שדות חשמליים מתחלפים. הודות לניסויים רבים הקשורים לסוגים שונים של רעידות, מדענים הצליחו למצוא אזורים לשימוש מיטבי שלהם במדע ובטכנולוגיה המודרנית.
