Коливання: механічні і електромагнітні. Вільні і вимушені коливання. Характеристика
Одна з найбільш цікавих тем у фізиці - коливання. Вивчення механіки тісно пов'язане саме з ними, з тим, як поводяться тіла, на які впливають ті чи інші сили. Так, вивчаючи коливання, ми можемо спостерігати за маятниками, бачити залежність амплітуди коливання від довжини нитки, на якій висить тіло, від жорсткості пружини, ваги вантажу. Незважаючи на гадану простоту, дана тема далеко не всім дається так легко, як хотілося б. Тому ми вирішили зібрати найбільш відомі відомості про коливання, їх видах і властивості, і скласти для вас короткий конспект з даної теми. Можливо, він буде вам корисний.
Визначення поняття
Перш ніж говорити про такі поняття, як механічні, електромагнітні, вільні, вимушені коливання, про їх природу, характеристиках і видах, умовах виникнення, слід дати визначення даному поняттю. Так, у фізиці коливанням називають постійно повторюваний процес зміни стану навколо однієї точки простору. Найбільш простий приклад - маятник. Кожен раз при коливанні він відхиляється від якоїсь вертикальної точки спочатку в одну, потім в іншу сторону. Займається вивченням явища теорія коливань і хвиль.
Причини та умови виникнення
Як і будь-яке інше явище, коливання виникають тільки в тому випадку, якщо виконані певні умови. Механічні вимушені коливання, як і вільні, виникають при виконанні таких умов, як:
1. Наявність сили, що виводить тіло зі стану стійкої рівноваги. Приміром, поштовху математичного маятника, при якому починається рух.
2. Наявність мінімальної сили тертя в системі. Як відомо, тертя уповільнює ті чи інші фізичні процеси. Чим більше сила тертя, тим менше ймовірність виникнення коливань.
3. Одна з сил повинна залежати від координат. Тобто тіло змінює своє положення в певній системі координат відносно певної точки.
Види коливань
Розібравшись з тим, що таке коливання, розберемо їх класифікацію. Є дві найбільш відомі класифікації - по фізичній природі і по характеру взаємодії з навколишнім середовищем. Так, за першою ознакою виділяють механічні та електромагнітні, а по другому - вільні і вимушені коливання. Виділяють також автоколивання, затухаючі коливання. Але ми з вами поговоримо лише про перших чотирьох видах. Давайте розберемо докладніше кожен з них, з'ясуємо їх особливості, а також дамо вельми короткий опис їх основних характеристик.
Механічні
Саме з механічних починається вивчення коливань в шкільному курсі фізики. Своє знайомство з ними учні починають в такому розділі фізики, як механіка. Відзначимо, що дані фізичні процеси протікають в навколишньому середовищі, і ми можемо спостерігати за ними неозброєним оком. При таких коливаннях тіло неодноразово здійснює одне і те ж рух, проходячи певне положення в просторі. Приклади таких коливань - ті ж маятники, вібрація камертона або гітарної струни, рух листя і гілок на дереві, гойдалок.
Електромагнітні
Після того як міцно засвоєно таке поняття, як механічні коливання, починається вивчення електромагнітних коливань, більш складних за своєю структурою, так як даний вид протікає в різних електричних ланцюгах. При цьому процесі спостерігаються коливання в електричних, а також магнітних полях. Незважаючи на те що електромагнітні коливання мають дещо іншу природу виникнення, закони для них такі ж, як і для механічних. При електромагнітних коливаннях може змінюватися не тільки напруженість електромагнітного поля, а й такі характеристики, як сила заряду і струму. Важливо також зазначити, що існують вільні і вимушені електромагнітні коливання.
Вільні коливання
Даний вид коливань виникає під впливом внутрішніх сил тоді, коли система виводиться зі стану стійкої рівноваги або спокою. Вільні коливання завжди є затухаючими, а значить, їх амплітуда і частота з часом зменшуються. Яскравим прикладом подібного виду розкачувань служить рух вантажу, підвішеного на нитку і вагається з одного боку в іншу-вантажу, прикріпленого до пружини, то опускається вниз під дією тяжкості, то піднімається вгору під дією пружини. До речі, саме такого роду коливань приділяють увагу при вивченні фізики. Та й більшість завдань присвячено якраз-таки вільним коливанням, а не вимушеним.
Вимушені
Незважаючи на те що такого роду процес вивчається школярами не так детально, саме вимушені коливання найбільш часто зустрічаються в природі. Досить яскравим прикладом даного фізичного явища може бути рух гілок на деревах у вітряну погоду. Такі коливання завжди відбуваються під впливом зовнішніх факторів і сил, та й виникають вони в будь-який момент.
Характеристики коливань
Як і будь-який інший процес, коливання мають свої характеристики. Можна виділити шість основних параметрів коливального процесу: амплітуду, період, частоту, фазу, зсув і циклічну частоту. Природно, кожна з них має свої позначення, а також одиниці виміру. Розберемо їх трохи докладніше, зупинившись на короткій характеристиці. При цьому ми не будемо розписувати формули, які використовуються для обчислення тієї чи іншої величини, щоб не заплутати читача.
Зсув
Перша з них - зсув. Дана характеристика показує відхилення тіла від точки рівноваги в даний момент часу. Вимірюється в метрах (м), загальноприйняте позначення - x.
Амплітуда коливання
Даная величина позначає найбільше зміщення тіла від точки рівноваги. При наявності незгасаючого коливання є постійною величиною. Вимірюється в метрах, загальноприйняте позначення - хм.
Період коливання
Ще одна величина, яка позначає час, за який здійснюється одне повне коливання. Загальноприйняте позначення - T, вимірюється в секундах (с).
Частота
Остання характеристика, про яку ми поговоримо - частота коливань. Дана величина вказує на число коливань в певний проміжок часу. Вимірюється в герцах (Гц) і позначається як nu-.
Види маятників
Отже, ми з вами розібрали вимушені коливання, поговорили про вільні, значить, нам слід також згадати про види маятників, які використовуються для створення і вивчення вільних коливань (в шкільних умовах). Тут можна виділити два види - математичний і гармонійний (пружинний). Перший являє собою якесь тіло, підвішений до нерозтяжної нитки, розмір якої дорівнює l (основна значуща величина). Другий - вантаж прикріплений до пружини. Тут важливо знати масу вантажу (m) і жорсткість пружини (k).
Висновки
Отже, ми з вами розібралися, що існують механічні та електромагнітні коливання, дали їх коротку характеристику, описали причини та умови виникнення даних видів коливань. Сказали пару слів про основні характеристики даних фізичних явищ. Розібралися також і з тим, що бувають вимушені коливання і вільні. Визначили, в чому їх відмінність один від одного. Крім того, ми сказали пару слів про маятниках, що використовуються при вивченні механічних коливань. Сподіваємося, дана інформація була вам корисна.
