Tipi di oscillazioni in fisica e loro caratteristiche
Esistono diversi tipi di oscillazioni in fisica, caratterizzati da determinati parametri. Consideriamo le loro principali differenze, la classificazione in base a diversi fattori.
Definizioni di base
Per oscillazione si intende un processo in cui, a intervalli regolari, le caratteristiche di base del movimento hanno gli stessi valori.
Periodici chiamati tali oscillazioni, in cui i valori delle quantità di base vengono ripetuti attraverso gli stessi intervalli di tempo (periodo di oscillazione).
Varietà di processi oscillatori
Prendiamo in considerazione i principali tipi di oscillazioni che esistono nella fisica fondamentale.
Le vibrazioni libere sono chiamate oscillazioni che si verificano in un sistema che non è soggetto a influenze variabili esterne dopo lo shock iniziale.
Un esempio di oscillazioni libere è un pendolo matematico.
Quei tipi di oscillazioni meccaniche che si presentano nel sistema sotto l'azione di una forza variabile esterna.
Caratteristiche di classificazione
I seguenti tipi di movimenti oscillatori si distinguono per natura fisica:
- meccanica;
- termico;
- elettromagnetico;
- misto.
Secondo la variante dell'interazione con l'ambiente
Tipi di vibrazioni in interazione con l'ambiente distinguono diversi gruppi.
Le oscillazioni forzate appaiono nel sistema sotto l'azione di un'azione periodica esterna. Come esempi di questo tipo di vibrazione, si può considerare il movimento delle mani, le foglie sugli alberi.
Per oscillazioni armoniche forzate, può verificarsi una risonanza, a cui per valori uguali della frequenza dell'azione esterna e dell'oscillatore con un forte aumento dell'ampiezza.
Proprie fluttuazioni nel sistema sottoL'impatto delle forze interne dopo che è stato rimosso dallo stato di equilibrio. La versione più semplice di oscillazioni libere è il movimento di un carico sospeso su un filo o fissato a una molla.
Le auto-oscillazioni sono i tipi per cui ysistema c'è una certa riserva di energia potenziale, che va a fare oscillazioni. Una caratteristica distintiva di questi è il fatto che l'ampiezza è caratterizzata dalle proprietà del sistema stesso e non dalle condizioni originali.
Per le vibrazioni casuali, il carico esterno ha un valore casuale.
Parametri di base dei movimenti oscillatori
Tutti i tipi di oscillazioni hanno determinate caratteristiche, che dovrebbero essere menzionate separatamente.
L'ampiezza è la deviazione massima dalla posizione di equilibrio, la deviazione della quantità oscillante, misurata in metri.
Il periodo è il tempo di una completa oscillazione, attraverso la quale vengono ripetute le caratteristiche del sistema, viene calcolato in secondi.
La frequenza è determinata dal numero di oscillazioni per unità di tempo, è inversamente proporzionale al periodo delle oscillazioni.
La fase di oscillazione caratterizza lo stato del sistema.
Caratteristica delle oscillazioni armoniche
Tali tipi di oscillazioni avvengono secondo la leggecoseno o sinusale. Fourier è stato in grado di stabilire che ogni oscillazione periodica può essere rappresentata come la somma delle variazioni armoniche espandendo una funzione specifica in una serie di Fourier.
Ad esempio, possiamo considerare un pendolo con un certo periodo e una frequenza ciclica.
Quali sono le caratteristiche di questi tipi di oscillazioni? Fisica considera un sistema a pendolo matematico idealizzato, che consiste in un punto materiale, che è sospeso su un filo inestensibile peso oscilla sotto l'influenza della gravità.
Questi tipi di oscillazioni hanno una certa quantità di energia, sono comuni in natura e tecnologia.
Con il movimento oscillatorio continuo, la coordinata del suo centro di massa cambia e, a una corrente alternata, il valore della corrente e della tensione nel circuito cambia.
Assegna diversi tipi di oscillazioni armoniche di natura fisica: elettromagnetica, meccanica, ecc.
Come le fluttuazioni forzate, appare lo scuotimento del veicolo, che si muove lungo una strada dissestata.
Le principali differenze tra oscillazioni forzate e libere
Questi tipi di oscillazioni elettromagnetiche differiscono tra lorocaratteristiche fisiche. La presenza di resistenza del mezzo e la forza di attrito portano all'attenuazione delle oscillazioni libere. In caso di oscillazioni forzate, le perdite di energia vengono compensate dall'assunzione aggiuntiva da una fonte esterna.
Il periodo del pendolo a molla lega la massa corporea e la rigidità della molla. Nel caso di un pendolo matematico, dipende dalla lunghezza del filamento.
Per un periodo noto, si può calcolare la frequenza naturale del sistema oscillatorio.
In ingegneria e natura, ci sono fluttuazioni condiversi valori di frequenza. Ad esempio, il pendolo, che oscilla nella Cattedrale di San Isacco a San Pietroburgo, ha una frequenza di 0,05 Hz e per gli atomi è di diversi milioni di megahertz.
Dopo un certo periodo di tempo,attenuazione delle oscillazioni libere. Questo è il motivo per cui le oscillazioni forzate vengono utilizzate nella pratica reale. Sono richiesti in una varietà di macchine vibranti. Il vibro-hammer è una macchina vibratrice che è progettata per pilotare tubi, pile e altre strutture metalliche nel terreno.
Oscillazioni elettromagnetiche
La caratterizzazione dei modi di oscillazione assumeanalisi dei parametri fisici di base: carica, tensione, amperaggio. Come un sistema elementare, che viene utilizzato per osservare le oscillazioni elettromagnetiche, è il circuito oscillatorio. È formato dalla connessione seriale di una bobina e di un condensatore.
Quando il circuito è chiuso, si generano oscillazioni elettromagnetiche libere, collegate a cambi periodici di carica elettrica sul condensatore e corrente nella bobina.
Sono liberi a causa del fatto che quando vengono commessi non vi è alcuna influenza esterna e viene utilizzata solo l'energia immagazzinata nel circuito stesso.
Se supponiamo che la resistenza della bobina sia zero e il periodo di oscillazione sia preso come T, possiamo considerare una completa oscillazione fatta dal sistema.
In assenza di influenza esterna, attraversoun certo intervallo di tempo, c'è uno smorzamento dell'oscillazione elettromagnetica. La ragione di questo fenomeno è la scarica graduale del condensatore, così come la resistenza che ha effettivamente la bobina.
Ecco perché nel circuito reale ci sonooscillazioni smorzate Riducendo la carica sul condensatore si ottiene una diminuzione del valore energetico rispetto al suo valore originale. Gradualmente si separerà sotto forma di calore sui cavi di collegamento e sulla bobina, il condensatore sarà completamente scaricato e l'oscillazione elettromagnetica terminerà.
L'importanza delle fluttuazioni nella scienza e nella tecnologia
Qualsiasi movimento che ha un certoil grado di ricorrenza, sono le fluttuazioni. Ad esempio, un pendolo matematico è caratterizzato da una deviazione sistematica su entrambi i lati della posizione verticale originale.
Per un pendolo a molla, un'oscillazione completa corrisponde al suo movimento su e giù dalla sua posizione iniziale.
Nel circuito elettrico, che hacapacità e induttanza, si osserva una carica sulle piastre del condensatore. Qual è la causa dei movimenti vibratori? Il pendolo funziona perché la gravità lo costringe a ritornare alla sua posizione originale. Nel caso di un modello a molla, una forza simile viene esercitata dalla forza elastica della molla. Passando la posizione di equilibrio, il carico ha una certa velocità, quindi, per inerzia, si sposta oltre lo stato medio.
Le oscillazioni elettriche possono essere spiegate dalla differenza di potenziale esistente tra le piastre di un condensatore caricato. Anche con la sua scarica completa, la corrente non scompare e la carica viene ricaricata.
Nella tecnologia moderna vengono usate oscillazioni che differiscono sostanzialmente per natura, grado di ricorrenza, carattere e anche il "meccanismo" dell'apparenza.
Le vibrazioni meccaniche creano stringhestrumenti musicali, onde del mare, pendolo. Le fluttuazioni chimiche associate a un cambiamento nella concentrazione di sostanze che reagiscono sono prese in considerazione quando si effettuano varie interazioni.
Le oscillazioni elettromagnetiche consentono la creazione di vari dispositivi tecnici, ad esempio telefoni, dispositivi medici ad ultrasuoni.
Le fluttuazioni nella luminosità delle cefeidi sono di particolare interesse per l'astrofisica e gli scienziati di diversi paesi sono impegnati nel loro studio.
conclusione
Tutti i tipi di fluttuazioni sono strettamente legati all'enormenumero di processi tecnici e fenomeni fisici. Il loro significato pratico nella costruzione di aeromobili, nella costruzione di navi, nella costruzione di complessi residenziali, nell'ingegneria elettrica, nell'elettronica radio, nella medicina e nelle scienze fondamentali è grande. Un esempio di un tipico processo oscillatorio in fisiologia è il movimento del muscolo cardiaco. Le oscillazioni meccaniche si trovano nella chimica organica e inorganica, nella meteorologia e anche in molte altre scienze naturali.
I primi studi del pendolo matematico furonocondotto nel diciassettesimo secolo e verso la fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati sono stati in grado di stabilire la natura delle oscillazioni elettromagnetiche. Lo scienziato russo Alexander Popov, considerato il "padre" delle comunicazioni radio, ha condotto i suoi esperimenti proprio sulla base della teoria delle oscillazioni elettromagnetiche, i risultati delle indagini di Thomson, Huygens e Rayleigh. Riuscì a trovare un'applicazione pratica delle oscillazioni elettromagnetiche, per usarle per trasmettere un segnale radio su una lunga distanza.
Accademico PN Per molti anni Lebedev ha condotto esperimenti relativi all'ottenimento di oscillazioni elettromagnetiche ad alta frequenza mediante campi elettrici variabili. Grazie a numerosi esperimenti collegati a vari tipi di oscillazioni, gli scienziati sono riusciti a trovare aree del loro uso ottimale nella scienza e nella tecnologia moderne.
