רעידות טבעיות הן תהליכים המאופיינים בחזרה מסוימת. לדוגמה, אלה כוללים את תנועת המטוטלת של שעון, מיתר גיטרה, רגלי מזלג מכוון, פעילות הלב.
תנודות מכניות
בהתחשב בטבע הפיזי, תנודות טבעיות יכולות להיות מכניות, אלקטרומגנטיות, אלקטרו-מכאניות. בואו נסתכל מקרוב על התהליך הראשון. רעידות טבעיות מתרחשות במקרים בהם אין חיכוך נוסף, אין כוחות חיצוניים. תנועות כאלה מאופיינות בתלות בתדר רק במאפיינים של המערכת הנתונה.
תהליכים הרמוניים
תנודות טבעיות אלו מרמזות על שינוי בכמות המתנודדת לפי חוק הקוסינוס (סינוס). הבה ננתח את הצורה הפשוטה ביותר של מערכת תנודה, המורכבת מכדור התלוי על קפיץ.
במקרה זה, כוח המשיכה מאזן את גמישות הקפיץ. על פי חוק הוק, קיים קשר ישיר בין הארכת הקפיץ שלו לבין הכוח המופעל על הגוף.
מאפייני כוח אלסטי
תנודות אלקטרומגנטיות משלו במעגל קשורות לגודל ההשפעה על המערכת. הכוח האלסטי, שהוא פרופורציונלי לתזוזה של הכדור ממצב שיווי המשקל, מופנה לעבר מצב שיווי המשקל. ניתן לתאר את תנועת הכדור בהשפעתו על ידי חוק הקוסינוס.
תקופת התנודה הטבעית תיקבע באופן מתמטי.
במקרה של מטוטלת קפיצית מתגלה התלות בקשיחותה, כמו גם במסת העומס. ניתן לחשב את תקופת התנודות הטבעיות במקרה זה על ידי הנוסחה.
אנרגיה בתנודה הרמונית
הערך קבוע אם אין כוח חיכוך.
כאשר התנועה התנודה מתרחשת, מתרחשת טרנספורמציה תקופתית של אנרגיה קינטית לערך פוטנציאלי.
תנודות מעוכות
תנודות אלקטרומגנטיות משלו יכולות להתרחש כאשר המערכת אינה מושפעת מכוחות חיצוניים. החיכוך תורם לשיכוך התנודות, נצפית ירידה באמפליטודה שלהן.
תדירות התנודות הטבעיות במעגל תנודות קשורה לתכונות המערכת, כמו גם לעוצמת ההפסדים.
עם עלייה במקדם הנחתה, נצפית עליה בתקופת התנועה התנודה.
היחס בין אמפליטודות המופרדות במרווח השווה לנקודה אחת הוא קבועערך לאורך כל התהליך. יחס זה נקרא ירידה בדיכוך.
תנודות טבעיות במעגל התנודות מתוארות בחוק הסינוסים (קוסינוסים).
תקופת התנודה היא כמות דמיונית. התנועה היא א-מחזורית. המערכת, אשר מוסרת ממצב שיווי המשקל ללא תנודות נוספות, חוזרת למצבה המקורי. שיטת הבאת המערכת למצב שיווי משקל נקבעת על פי התנאים ההתחלתיים שלה.
Resonance
תקופת התנודות הטבעיות של המעגל נקבעת על ידי החוק ההרמוני. תנודות מאולצות מופיעות במערכת תחת פעולת כוח המשתנה מעת לעת. כאשר מרכיבים את משוואת התנועה, לוקחים בחשבון שמלבד אפקט הכוח, ישנם גם כוחות כאלה הפועלים במהלך תנודות חופשיות: התנגדות המדיום, הכוח הכמו אלסטי.
תהודה היא עלייה חדה באמפליטודה של תנודות מאולצות כאשר תדירות הכוח המניע נוטה לתדר הטבעי של הגוף. כל הרעידות המתרחשות במקרה זה נקראות תהודה.
כדי לחשוף את הקשר בין המשרעת לכוח החיצוני עבור תנודות מאולצות, אתה יכול להשתמש במערך הניסוי. כאשר ידית הארכובה מסובבת לאט, העומס על הקפיץ נע מעלה ומטה בדומה לנקודת המתלה שלהם.
ניתן לחשב תנודות אלקטרומגנטיות במעגל המתנודד ופרמטרים פיזיים אחריםsystem.
במקרה של סיבוב מהיר יותר, התנודות עולות, וכאשר תדר הסיבוב שווה לזה הטבעי, מגיעים לערך המשרעת המקסימלית. עם עלייה שלאחר מכן בתדירות הסיבוב, המשרעת של התנודות הכפויות של העומס המנותח יורדת שוב.
מאפיין תהודה
עם תנועה קלה של הידית, המטען כמעט ולא משנה את מיקומו. הסיבה היא האינרציה של מטוטלת הקפיץ, שאינה עומדת בקצב החיצוני, ולכן נצפה רק "ריצוד במקום".
התדר הטבעי של התנודות במעגל יתכתב עם עלייה חדה במשרעת התדר של הפעולה החיצונית.
הגרף של תופעה כזו נקרא עקומת תהודה. זה יכול להיחשב גם עבור מטוטלת נימה. אם תולים כדור מאסיבי על המסילה, וכן מספר מטוטלות קלות באורך חוט שונה.
לכל אחת מהמטוטלות הללו יש תדר תנודה משלה, שניתן לקבוע על סמך האצת הנפילה החופשית, אורך החוט.
אם מוציאים את הכדור משיווי המשקל, ומשאירים את המטוטלת הקלה ללא תנועה, ואז ישוחרר, תנודותיו יובילו לכיפוף תקופתי של המסילה. זה יגרום להשפעה של כוח אלסטי המשתנה מעת לעת על מטוטלות אור, ויגרום להן לבצע תנודות מאולצות. בהדרגה, לכולם תהיה משרעת שווה, שתהיה התהודה.
ניתן לראות את התופעה הזו גם עבור מטרונום שבסיסו מחוברחוט עם ציר המטוטלת. במקרה זה, הוא יתנדנד עם משרעת מקסימלית, ואז התדירות של המטוטלת "מושכת" את המיתר תואמת את תדירות התנודות החופשיות שלה.
תהודה מתרחשת כאשר כוח חיצוני, הפועל בזמן עם תנודות חופשיות, אכן עובד עם ערך חיובי. זה מוביל לעלייה באמפליטודה של תנועת התנודה.
מלבד ההשפעה החיובית, תופעת התהודה מבצעת לעתים קרובות פונקציה שלילית. לדוגמה, אם הלשון של פעמון מתנדנדת, חשוב שהצליל יופק שהחבל יפעל בזמן עם תנועות הלשון המתנודדות החופשיות.
יישום תהודה
הפעולה של מד תדר הקנים מבוססת על תהודה. המכשיר מוצג בצורה של לוחות אלסטיים באורכים שונים, קבועים על בסיס אחד משותף.
במקרה של מגע של מד התדרים עם מערכת תנודות שעבורה נדרש לקבוע את התדר, אותה לוחית, שתדירותה שווה לזה הנמדד, תתנודד במשרעת המקסימלית. לאחר הזנת פלטינה לתהודה, תוכל לחשב את התדירות של המערכת המתנודדת.
במאה השמונה עשרה, לא הרחק מהעיר אנז'ה בצרפת, נעה מחלקת חיילים בצעד לאורך גשר שלשלאות שאורכו היה 102 מטר. תדירות הצעדים שלהם קיבלה ערך השווה לתדירות הרעידות החופשיות של הגשר, מה שגרם לתהודה. זה גרם לשרשראות להישבר, לגשר התלוי להתמוטט.
בשנת 1906, מאותה סיבה, נהרס הגשר המצרי בסנט פטרבורג, שלאורכו נעה טייסת של פרשים. כדי למנוע תופעות לא נעימות כאלה, עכשיו עםבחציית הגשר, היחידות הצבאיות יוצאות בקצב חופשי.
תופעות אלקטרומגנטיות
הם תנודות מקושרות של שדות מגנטיים וחשמליים.
תנודות אלקטרומגנטיות עצמיות במעגל מתרחשות כאשר המערכת מוציאה משיווי משקל, למשל, כאשר מועבר מטען לקבל, שינוי בגודל הזרם במעגל.
תנודות אלקטרומגנטיות מופיעות במעגלים חשמליים שונים. במקרה זה, התנועה התנודה מבוצעת על ידי עוצמת הזרם, המתח, המטען, עוצמת השדה החשמלי, האינדוקציה המגנטית וכמויות אלקטרודינמיות אחרות.
ניתן להתייחס אליהם כאל תנודות מעוכות, מכיוון שהאנרגיה המוענקת למערכת עוברת לחימום.
כמו תנודות אלקטרומגנטיות מאולצות הן התהליכים במעגל, אשר נגרמים על ידי כוח אלקטרו-מוטיבי חיצוני הסינוסואידי המשתנה מעת לעת.
תהליכים כאלה מתוארים באותם חוקים כמו במקרה של רעידות מכניות, אבל יש להם אופי פיזיקלי שונה לחלוטין. תופעות חשמליות הן מקרה מיוחד של תהליכים אלקטרומגנטיים עם הספק, מתח, זרם חילופין.
מעגל תנודה
זהו מעגל חשמלי המורכב ממשרן מחובר בסדרה, קבל עם קיבול מסוים, נגד התנגדות.
כאשר המעגל המתנודד נמצא במצב שיווי משקל יציב, לקבל אין מטען, ולא זורם זרם חשמלי דרך הסליל.
בין המאפיינים העיקרייםתנודות אלקטרומגנטיות מציינות את התדר המחזורי, שהוא הנגזרת השנייה של המטען ביחס לזמן. השלב של תנודות אלקטרומגנטיות הוא גודל הרמוני, המתואר על ידי חוק הסינוס (קוסינוס).
התקופה במעגל התנודה נקבעת לפי נוסחת תומסון, תלויה בקיבול של הקבל, כמו גם בערך השראות של הסליל עם הזרם. הזרם במעגל משתנה בהתאם לחוק הסינוס, כך שניתן לקבוע את הסטת הפאזה עבור גל אלקטרומגנטי מסוים.
זרם חילופין
במסגרת המסתובבת במהירות זוויתית קבועה בשדה מגנטי אחיד עם ערך מסוים של אינדוקציה, נקבע EMF הרמוני. על פי חוק פאראדיי לאינדוקציה אלקטרומגנטית, הם נקבעים על ידי השינוי בשטף המגנטי, הוא ערך סינוסואידי.
כאשר מקור EMF חיצוני מחובר למעגל המתנודד, מתרחשות בתוכו תנודות מאולצות, המתרחשות עם תדר מחזורי ώ, השווה בערכו לתדר המקור עצמו. הן תנועות לא מופחתות, שכן בעת ביצוע מטען, מופיע הבדל פוטנציאל, נוצר זרם במעגל וכמויות פיזיקליות אחרות. זה גורם לשינויים הרמוניים במתח, בזרם, הנקראים כמויות פיזיקליות פועמות.
הערך של 50 הרץ נלקח כתדר התעשייתי של זרם חילופין. כדי לחשב את כמות החום המשתחררת בעת מעבר דרך מוליך זרם חילופין, ערכי ההספק המרבי אינם בשימוש, מכיוון שהוא מושג רק בפרקי זמן מסוימים. למטרות כאלה, הגש בקשההספק ממוצע, שהוא היחס בין כל האנרגיה העוברת במעגל במהלך התקופה המנותחת, לערכו.
הערך של זרם החילופין מתאים לקבוע, המשחרר את אותה כמות חום לאורך התקופה כמו זו של זרם החילופין.
Transformer
זהו מכשיר שמגביר או מוריד מתח ללא אובדן משמעותי של אנרגיה חשמלית. עיצוב זה מורכב ממספר לוחות שעליהם קבועים שני סלילים עם פיתולי תיל. הראשוני מחובר למקור מתח חילופין, והשני מחובר למכשירים הצורכים אנרגיה חשמלית. עבור מכשיר כזה, יחס טרנספורמציה מובחן. עבור שנאי שלב הוא פחות מאחד, ועבור שנאי שלב הוא נוטה ל-1.
תנודות אוטומטיות
אלה נקראות מערכות המווסתות אוטומטית את אספקת האנרגיה ממקור חיצוני. התהליכים המתרחשים בהם נחשבים לפעולות מחזוריות ללא דחייה (תנודה עצמית). מערכות כאלה כוללות מחולל צינורות של אינטראקציות אלקטרומגנטיות, פעמון, שעון.
ישנם גם מקרים בהם גופים שונים משתתפים בו זמנית בתנודות בכיוונים שונים.
אם תחבר תנועות כאלה בעלות משרעות שוות, תוכל לקבל תנודה הרמונית עם משרעת גדולה יותר.
לפי משפט פורייה, קבוצה של מערכות תנודות פשוטות, שלתוכה ניתן לפרק תהליך מורכב, נחשבת לספקטרום הרמוני. זה מציין את האמפליטודות והתדרים של כל התנודות הפשוטות הכלולות במערכת כזו. לרוב, הספקטרום משתקף בצורה גרפית.
תדרים מסומנים על הציר האופקי, והמשרעות של תנודות כאלה מוצגות לאורך ציר הסמין.
כל תנועות תנודות: מכניות, אלקטרומגנטיות, מאופיינות בכמויות פיזיקליות מסוימות.
קודם כל, הפרמטרים האלה כוללים משרעת, נקודה, תדירות. ישנם ביטויים מתמטיים לכל פרמטר, המאפשרים לבצע חישובים, לחשב כמותית את המאפיינים הרצויים.
