In der Physik gibt es verschiedene Arten von Schwingungen, die durch bestimmte Parameter gekennzeichnet sind. Betrachten Sie ihre Hauptunterschiede, Klassifizierung nach verschiedenen Faktoren.
Grundlegende Definitionen
Unter Fluktuation versteht man einen Vorgang, bei dem in regelmäßigen Abständen die Hauptmerkmale der Bewegung die gleichen Werte haben.
Periodische Schwingungen sind solche, bei denen sich die Werte der Grundgrößen in regelmäßigen Abständen wiederholen (Schwingungsperiode).
Varianten oszillierender Prozesse
Betrachten wir die wichtigsten Arten von Schwingungen, die in der Grundlagenphysik existieren.
Freie Schwingungen sind solche, die in einem System auftreten, das nach dem anfänglichen Schock keinen externen variablen Einflüssen ausgesetzt ist.
Ein Beispiel für eine freie Schwingung ist ein mathematisches Pendel.
Die Arten von mechanischen Schwingungen, die im System unter Einwirkung einer äußeren veränderlichen Kraft auftreten.
Klassifikationsmerkmale
Physikalisch unterscheidet man folgende Arten von Schwingbewegungen:
- mechanisch;
- thermisch;
- elektromagnetisch;
- gemischt.
Nach Möglichkeit der Interaktion mit der Umgebung
Arten von Schwankungen in Wechselwirkung mit der Umwelt werden in mehrere Gruppen eingeteilt.
Unter Einwirkung einer äußeren periodischen Einwirkung treten im System erzwungene Schwingungen auf. Als Beispiele für diese Art von Oszillation können wir die Bewegung von Händen und Blättern an Bäumen betrachten.
Bei erzwungenen harmonischen Schwingungen kann eine Resonanz auftreten, bei der bei gleichen Werten der Frequenz des äußeren Einflusses und des Oszillators die Amplitude stark ansteigt.
Eigenschwingungen im System unter dem Einfluss innerer Kräfte, nachdem es aus dem Gleichgewicht gebracht wurde. Die einfachste Version freier Schwingungen ist die Bewegung einer Last, die an einem Faden aufgehängt oder an einer Feder befestigt ist.
Selbstoszillationen sind Arten, bei denen das System eine bestimmte Menge potentieller Energie hat, die verwendet wird, um Oszillationen zu erzeugen. Ihr Unterscheidungsmerkmal ist die Tatsache, dass die Amplitude durch die Eigenschaften des Systems selbst und nicht durch die Anfangsbedingungen charakterisiert wird.
Bei zufälligen Schwankungen hat die externe Last einen zufälligen Wert.
Grundparameter oszillierender Bewegungen
Alle Vibrationsarten haben bestimmte Eigenschaften, die gesondert erwähnt werden sollten.
Die Amplitude ist die maximale Abweichung von der Gleichgewichtslage, die Abweichung eines schwankenden Wertes, sie wird in Metern gemessen.
Periode ist die Zeit eines vollen Durchschwungsdie Systemeigenschaften wiederholt, wird in Sekunden berechnet.
Die Frequenz wird durch die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit bestimmt, sie ist umgekehrt proportional zur Schwingungsdauer.
Die Schwingungsphase charakterisiert den Zustand des Systems.
Charakteristik harmonischer Schwingungen
Solche Arten von Schwingungen entstehen nach dem Kosinus- oder Sinusgesetz. Fourier gelang es festzustellen, dass jede periodische Schwingung als Summe harmonischer Änderungen dargestellt werden kann, indem eine bestimmte Funktion zu einer Fourier-Reihe erweitert wurde.
Stellen Sie sich als Beispiel ein Pendel mit einer bestimmten Periode und zyklischen Frequenz vor.
Was charakterisiert diese Art von Schwankungen? Die Physik betrachtet das mathematische Pendel als idealisiertes System, das aus einem materiellen Punkt besteht, der an einem schwerelosen, nicht dehnbaren Faden aufgehängt ist und unter dem Einfluss der Schwerkraft schwingt.
Solche Schwingungen haben eine gewisse Energie, sie kommen in Natur und Technik vor.
Bei längerer Schwingungsbewegung ändert sich die Koordinate seines Massenschwerpunkts und bei Wechselstrom ändert sich der Wert von Strom und Spannung im Stromkreis.
Es gibt verschiedene Arten von harmonischen Schwingungen physikalischer Natur: elektromagnetische, mechanische usw.
Das Rütteln eines Fahrzeugs, das sich auf einer unebenen Straße bewegt, wirkt wie eine erzwungene Schwingung.
Hauptunterschiede zwischen gezwungen und freiSchwankungen
Diese Arten von elektromagnetischen Schwingungen unterscheiden sich in physikalischen Eigenschaften. Das Vorhandensein von mittleren Widerständen und Reibungskräften führt zu einer Dämpfung freier Schwingungen. Bei erzwungenen Schwingungen werden Energieverluste durch deren zusätzliche Zufuhr von außen kompensiert.
Die Periode eines Federpendels bezieht sich auf die Masse des Körpers und die Steifigkeit der Feder. Bei einem mathematischen Pendel kommt es auf die Länge des Fadens an.
Bei bekannter Periode kann man die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems berechnen.
In Technik und Natur gibt es Schwankungen mit unterschiedlichen Frequenzwerten. Beispielsweise hat das Pendel, das in der St. Isaaks-Kathedrale in St. Petersburg schwingt, eine Frequenz von 0,05 Hz, während es bei Atomen mehrere Millionen Megahertz sind.
Nach einer gewissen Zeit ist eine Dämpfung freier Schwingungen zu beobachten. In der Praxis werden deshalb erzwungene Schwingungen eingesetzt. Sie sind in einer Vielzahl von Vibrationsmaschinen gefragt. Der Vibrationshammer ist eine Stoß-Vibrations-Maschine, die zum Rammen von Rohren, Pfählen und anderen Metallkonstruktionen in den Boden bestimmt ist.
Elektromagnetische Schwingungen
Die Charakterisierung von Schwingungsmodi beinh altet die Analyse der wichtigsten physikalischen Parameter: Ladung, Spannung, Stromstärke. Als elementares System, das zur Beobachtung elektromagnetischer Schwingungen dient, eignet sich ein Schwingkreis. Es wird gebildet, indem eine Spule und ein Kondensator in Reihe gesch altet werden.
Wenn der Stromkreis geschlossen ist, frei elektromagnetischSchwankungen im Zusammenhang mit periodischen Änderungen der elektrischen Ladung des Kondensators und des Stroms in der Spule.
Sie sind dadurch frei, dass bei ihrer Ausführung keine äußere Einwirkung erfolgt, sondern nur die im Kreislauf selbst gespeicherte Energie genutzt wird.
Wenn wir den Widerstand der Spule als Null betrachten und die Schwingungsdauer als T nehmen, können wir eine vollständige Schwingung des Systems betrachten.
Ohne äußere Einwirkung ist nach einer gewissen Zeit eine Dämpfung der elektromagnetischen Schwingung zu beobachten. Der Grund für dieses Phänomen ist die allmähliche Entladung des Kondensators sowie der Widerstand, den die Spule tatsächlich hat.
Deshalb treten in einer realen Sch altung gedämpfte Schwingungen auf. Die Verringerung der Ladung auf dem Kondensator führt zu einer Verringerung des Energiewerts im Vergleich zu seinem ursprünglichen Wert. Allmählich wird es als Wärme an den Verbindungsdrähten und der Spule abgegeben, der Kondensator wird vollständig entladen und die elektromagnetische Schwingung wird vervollständigt.
Die Bedeutung von Schwankungen in Wissenschaft und Technik
Alle Bewegungen, die einen gewissen Wiederholungsgrad haben, sind Oszillationen. Beispielsweise ist ein mathematisches Pendel durch eine systematische Abweichung in beide Richtungen von der ursprünglichen vertikalen Position gekennzeichnet.
Bei einem Federpendel entspricht ein voller Schwung seiner Auf- und Abwärtsbewegung aus der Ausgangsposition.
In einem Stromkreis mit Kapazität und Induktivität findet eine Ladungswiederholung stattKondensatorplatten. Was ist die Ursache für oszillierende Bewegungen? Das Pendel funktioniert aufgrund der Tatsache, dass es durch die Schwerkraft in seine ursprüngliche Position zurückkehrt. Bei einem Federmodell erfüllt die elastische Kraft der Feder eine ähnliche Funktion. Beim Passieren der Gleichgewichtsposition hat die Last eine bestimmte Geschwindigkeit, daher bewegt sie sich durch Trägheit über den Durchschnittszustand hinaus.
Elektrische Schwingungen können durch die Potentialdifferenz erklärt werden, die zwischen den Platten eines geladenen Kondensators besteht. Selbst wenn es vollständig entladen ist, verschwindet der Strom nicht, es wird wieder aufgeladen.
Moderne Technik nutzt Schwankungen, die sich in Art, Wiederholungsgrad, Art und auch dem „Mechanismus“des Erscheinens erheblich unterscheiden.
Mechanische Schwingungen werden von Saiten von Musikinstrumenten, Meereswellen, einem Pendel erzeugt. Chemische Schwankungen, die mit einer Änderung der Konzentration von Reaktanten verbunden sind, werden bei der Durchführung verschiedener Wechselwirkungen berücksichtigt.
Elektromagnetische Schwingungen ermöglichen die Herstellung verschiedener technischer Geräte, wie Telefone, medizinische Ultraschallgeräte.
Die Helligkeitsschwankungen von Cepheiden sind von besonderem Interesse für die Astrophysik und werden von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern untersucht.
Schlussfolgerung
Alle Arten von Schwingungen sind eng mit einer Vielzahl von technischen Prozessen und physikalischen Phänomenen verbunden. Ihre praktische Bedeutung ist groß im Flugzeugbau, Schiffsbau, Bau von Wohnanlagen, Elektrotechnik, Funkelektronik, Medizin und Grundlagenwissenschaften. Ein Beispiel für einen typischen Schwingungsvorgang inPhysiologie begünstigt die Bewegung des Herzmuskels. Mechanische Schwingungen finden sich in der organischen und anorganischen Chemie, Meteorologie und vielen anderen Naturwissenschaften.
Die ersten Studien des mathematischen Pendels wurden im 17. Jahrhundert durchgeführt, und Ende des 19. Jahrhunderts konnten Wissenschaftler die Natur elektromagnetischer Schwingungen feststellen. Der russische Wissenschaftler Alexander Popov, der als "Vater" der Funkkommunikation gilt, führte seine Experimente genau auf der Grundlage der Theorie der elektromagnetischen Schwingungen, den Forschungsergebnissen von Thomson, Huygens und Rayleigh, durch. Es gelang ihm, eine praktische Anwendung für elektromagnetische Schwingungen zu finden, um damit ein Funksignal über eine große Entfernung zu übertragen.
Akademiker P. N. Lebedev führte viele Jahre lang Experimente zur Erzeugung hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen durch elektrische Wechselfelder durch. Dank zahlreicher Experimente zu verschiedenen Arten von Vibrationen ist es Wissenschaftlern gelungen, Bereiche für ihre optimale Nutzung in der modernen Wissenschaft und Technologie zu finden.
