Типы колебаний в физике. Колебания в биологических объектах
Колебания – это движения или процессы, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.
Механические колебания- колебания механических величин (смещения, скорости, ускорения, давления и т.п.).
Механические колебания (в зависимости от характера сил) бывают:
свободные;
вынужденные;
автоколебания.
Свободными называют колебания, возникающие при однократном воздействии внешней силы (первоначальном сообщении энергии) и при отсутствии внешних воздействий на колебательную систему.
Свободные (или собственные) - это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие).
Условия возникновения свободных колебаний
1. Колебательная система должна иметь положение устойчивого равновесия.
2. При выведении системы из положения равновесия должна возникать равнодействующая сила, возвращающая систему в исходное положение
3. Силы трения (сопротивления) очень малы.
Вынужденные колебания - колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.
Автоколебания - незатухающие колебания в системе, поддерживаемые внутренними источниками энергии при отсутствии внешней переменной силы.
Частота и амплитуда автоколебаний определяется свойствами самой колебательной системы.
От свободных колебаний автоколебания отличаются независимостью амплитуды от времени и от начального воздействия, возбуждающего процесc колебаний.
Автоколебательная система состоит из: колебательной системы; источника энергии; устройства обратной связи, регулирующее поступление энергии из внутреннего источника энергии в колебательную систему.
Энергия, поступающая из источника за период, равна энергии, потерянной колебательной системой за то же время.
Механические колебания делятся на:
затухающие;
незатухающие.
Затухающие колебания - колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.
Характеристики колебательного движения:
постоянные:
амплитуда (А)
период (Т)
частота ()
Наибольшее (по модулю) отклонение колеблющегося тела от положения равновесия называется амплитудой колебаний. Обычно амплитуду обозначают буквой А.
Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний.
Период колебаний обычно обозначается буквой Т и в СИ измеряется в секундах (с).
Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний .
Обозначается частота буквой v (“ню”). За единицу частоты принято одно колебание в секунду. Эта единица в честь немецкого ученого Генриха Герца названа герцем (Гц).
период колебания Т и частота колебаний v связаны следующей зависимостью:
Т=1/ или =1/Т.
Циклическая (круговая) частота ω – число колебаний за 2π секунд
Гармонические колебания - механические колебания, которые происходят под действием силы, пропорциональной смещению и направленной противоположно ему. Гармонические колебания совершаются по закону синуса или косинуса.
Пусть материальная точка совершает гармонические колебания.
Уравнение гармонических колебаний имеет вид :
а – ускорение V- скорость q – заряд А – амплитуда t -время
Характеристика колебаний
Фаза определяет состояние системы, а именно координату, скорость, ускорение, энергию и др.
Циклическая частота характеризует скорость изменения фазы колебаний.
Начальное состояние колебательной системы характеризует начальная фаза
Амплитуда колебаний A - это наибольшее смещение из положения равновесия
Период T - это промежуток времени, в течение которого точка выполняет одно полное колебание.
Частота колебаний - это число полных колебаний в единицу времени t.
Частота, циклическая частота и период колебаний соотносятся как
Виды колебаний
Колебания, которые происходят в замкнутых системах называются свободными или собственными колебаниями. Колебания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными . Встречаются также автоколебания (вынуждаются автоматически).
Если рассматривать колебания согласно изменяющихся характеристик (амплитуда, частота, период и др.), то их можно разделить на гармонические , затухающие , нарастающие (а также пилообразные, прямоугольные, сложные).
При свободных колебаниях в реальных системах всегда происходят потери энергии. Механическая энергия расходуется, например, на совершение работы по преодолению сил сопротивления воздуха. Под влиянием силы трения происходит уменьшение амплитуды колебаний, и через некоторое время колебания прекращаются. Очевидно, что чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания.
Вынужденные колебания. Резонанс
Вынужденные колебания являются незатухающими. Поэтому необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний. Для этого необходимо воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.
Вынужденные колебания
Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом .
Например, если периодически дергать шнур в такт его собственным колебаниям, то мы заметим увеличение амплитуды его колебаний.
Если влажный палец двигать по краю бокала, то бокал будет издавать звенящие звуки. Хотя это и незаметно, палец движется прерывисто и передает стеклу энергию короткими порциями, заставляя бокал вибрировать
Стенки бокала также начинают вибрировать, если на него направить звуковую волну с частотой, равной его собственной. Если амплитуда станет очень большой, то бокал может даже разбиться. По причине резонанса при пении Ф.И.Шаляпина дрожали (резонировали) хрустальные подвески люстр. Возникновение резонанса можно проследить и в ванной комнате. Если вы будете негромко пропевать звуки разной частоты, то на одной из частот возникнет резонанс.
В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Человек также имеет собственный резонатор - это полость рта, усиливающая издаваемые звуки.
Явление резонанса необходимо учитывать на практике. В одних явлениях он может быть полезен, в других - вреден. Резонансные явления могут вызывать необратимые разрушения в различных механических системах, например, неправильно спроектированных мостах. Так, в 1905 году рухнул Египетский мост в Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон, а в 1940 - разрушился Такомский мост в США.
Явление резонанса используется, когда с помощью небольшой силы необходимо получить большое увеличение амплитуды колебаний. Например, тяжелый язык большого колокола можно раскачать, действуя сравнительно небольшой силой с частотой, равной собственной частоте колебаний колокола.
Колебания
- движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.
Свободные колебания
- колебания в системе под действием внутренних тел, после того как система выведена из положения равновесия.
Колебания груза, подвешенного на нити, или груза, прикрепленного к пружине, - это примеры свободных колебаний. После выведения этих систем из положения равновесия создаются условия, при которых тела колеблются без воздействия внешних сил.
Система
- группа тел, движение которых мы изучаем.
Внутренние силы
- силы, действующие между телами системы.
Внешние силы
- силы, действующие на тела системы со стороны тел, не входящих в нее.
Условия возникновения свободных колебаний.
- При выведении тела из положения равновесия в системе должна возникать сила, направленная к положению равновесия и, следовательно, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия.
Пример: при перемещении шарика, прикрепленного к пружине, влево и при его перемещении вправо сила упругости направлена к положению равновесия. - Трение в системе должно быть достаточно мало. Иначе колебания быстро затухнут или вовсе не возникнут. Незатухающие колебания возможны лишь при отсутствии трения.
Существуют разные виды колебаний в физике, характеризующиеся определенными параметрами. Рассмотрим их основные отличия, классификацию по разным факторам.
Основные определения
Под колебанием подразумевают процесс, в котором через равные промежутки времени основные характеристики движения имеют одинаковые значения.
Периодическими называют такие колебания, при которых значения основных величин повторяются через одинаковые промежутки времени (период колебаний).
Разновидности колебательных процессов
Рассмотрим основные виды колебаний, существующие в фундаментальной физике.
Свободными называют колебания, которые возникают в системе, не подвергающейся внешним переменным воздействиям после начального толчка.
В качестве примера свободных колебаний является математический маятник.
Те виды механических колебаний, которые возникают в системе под действием внешней переменной силы.
Особенности классификации
По физической природе выделяют следующие виды колебательных движений:
- механические;
- тепловые;
- электромагнитные;
- смешанные.
По варианту взаимодействия с окружающей средой
Виды колебаний по взаимодействию с окружающей средой выделяют несколько групп.
Вынужденные колебания появляются в системе при действии внешнего периодического действия. В качестве примеров такого вида колебаний можно рассмотреть движение рук, листья на деревьях.
Для вынужденных гармонических колебаний возможно появление резонанса, при котором при равных значениях частоты внешнего воздействия и осциллятора при резком возрастании амплитуды.
Собственные это колебания в системе под воздействием внутренних сил после того, когда она будет выведена из равновесного состояния. Простейшим вариантом свободных колебаний является движение груза, который подвешен на нити, либо прикреплен к пружине.
Автоколебаниями называют виды, при которых у системы есть определенный запас потенциальной энергии, идущей на совершение колебаний. Отличительной чертой их является тот факт, что амплитуда характеризуется свойствами самой системы, а не первоначальными условиями.
Для случайных колебаний внешняя нагрузка имеет случайное значение.
Основные параметры колебательных движений
Все виды колебаний имеют определенные характеристики, о которых следует упомянуть отдельно.
Амплитудой называют максимальное отклонение от положения равновесия отклонение колеблющейся величины, измеряется она в метрах.
Период является время одного полного колебания, через который повторяются характеристики системы, вычисляется в секундах.
Частота определяется количеством колебаний за единицу времени, она обратно пропорциональна периоду колебаний.
Фаза колебаний характеризует состояние системы.
Характеристика гармонических колебаний
Такие виды колебаний происходят по закону косинуса или синуса. Фурье удалось установить, что всякое периодическое колебание можно представить в виде суммы гармонических изменений путем разложения определенной функции в
В качестве примера можно рассмотреть маятник, имеющий определенный период и циклическую частоту.
Чем характеризуются такие виды колебаний? Физика считает идеализированной системой, которая состоит из материальной точки, которая подвешена на невесомой нерастяжимой нити, колеблется под воздействием силы тяжести.
Такие виды колебаний обладают определенной величиной энергии, они распространены в природе и технике.
При продолжительном колебательном движении происходит изменение координаты его центра масс, а при переменном токе меняется значение тока и напряжения в цепи.
Выделяют разные виды гармонических колебаний по физической природе: электромагнитные, механические и др.
В качестве вынужденных колебаний выступает тряска транспортного средства, которое передвигается по неровной дороге.
Основные отличия между вынужденными и свободными колебаниями
Эти виды электромагнитных колебаний отличаются по физическим характеристикам. Наличие сопротивления среды и силы трения приводят к затуханию свободных колебаний. В случае вынужденных колебаний потери энергии компенсируются ее дополнительным поступлением от внешнего источника.
Период пружинного маятника связывает массу тела и жесткость пружины. В случае математического маятника он зависит от длины нити.
При известном периоде можно вычислить собственную частоту колебательной системы.
В технике и природе существуют колебания с разными значениями частот. К примеру, маятник, который колеблется в Исаакиевском соборе в Петербурге, имеет частоту 0,05 Гц, а у атомов она составляет несколько миллионов мегагерц.
Через некоторый промежуток времени наблюдается затухание свободных колебаний. Именно поэтому в реальной практике применяют вынужденные колебания. Они востребованы в разнообразных вибрационных машинах. Вибромолот является ударно-вибрационной машиной, которая предназначается для забивки в грунт труб, свай, иных металлических конструкций.
Электромагнитные колебания
Характеристика видов колебаний предполагает анализ основных физических параметров: заряда, напряжения, силы тока. В качестве элементарной системы, которая используется для наблюдения электромагнитных колебаний, является колебательный контур. Он образуется при последовательном соединении катушки и конденсатора.
При замыкании цепи, в ней возникают свободные электромагнитные колебания, связанные с периодическими изменениями электрического заряда на конденсаторе и тока в катушке.
Свободными они являются благодаря тому, что при их совершении нет внешнего воздействия, а используется только энергия, которая запасена в самом контуре.
При отсутствии внешнего воздействия, через определенный промежуток времени, наблюдается затухание электромагнитного колебания. Причиной подобного явления будет постепенная разрядка конденсатора, а также сопротивление, которым в реальности обладает катушка.
Именно поэтому в реальном контуре происходят затухающие колебания. Уменьшение заряда на конденсаторе приводит к снижению значения энергии в сравнении с ее первоначальным показателем. Постепенно она выделится в виде тепла на соединительных проводах и катушке, конденсатор полностью разрядится, а электромагнитное колебание завершится.
Значение колебаний в науке и технике
Любые движения, которые обладают определенной степенью повторяемости, являются колебаниями. Например, математический маятник характеризуется систематическим отклонением в обе стороны от первоначального вертикального положения.
Для пружинного маятника одно полное колебание соответствует его движению вверх-вниз от начального положения.
В электрическом контуре, который обладает емкостью и индуктивностью, наблюдается повторение заряда на пластинах конденсатора. В чем причина колебательных движений? Маятник функционирует благодаря тому, что сила тяжести заставляет его возвращаться в первоначальное положение. В случае пружиной модели подобную функцию осуществляет сила упругости пружины. Проходя положение равновесия, груз имеет определенную скорость, поэтому по инерции движется мимо среднего состояния.
Электрические колебания можно объяснить разностью потенциалов, существующей между обкладками заряженного конденсатора. Даже при его полной разрядке ток не исчезает, осуществляется перезарядка.
В современной технике применяются колебания, которые существенно различаются по своей природе, степени повторяемости, характеру, а также «механизму» появления.
Механические колебания совершают струны музыкальных инструментов, морские волны, маятник. Химические колебания, связанные с изменением концентрации реагирующих веществ, учитывают при проведении различных взаимодействий.
Электромагнитные колебания позволяют создавать различные технические приспособления, например, телефон, ультразвуковые медицинские приборы.
Колебания яркости цефеид представляют особый интерес в астрофизике, их изучением занимаются ученые из разных стран.
Заключение
Все виды колебаний тесно связаны с огромным количеством технических процессов и физических явлений. Велико их практическое значение в самолетостроении, строительстве судов, возведении жилых комплексов, электротехнике, радиоэлектронике, медицине, фундаментальной науке. Примером типичного колебательного процесса в физиологии выступает движение сердечной мышцы. Механические колебания встречаются в органической и неорганической химии, метеорологии, а также во многих иных естественнонаучных областях.
Первые исследования математического маятника были проведены в семнадцатом веке, а к концу девятнадцатого столетия ученым удалось установить природу электромагнитных колебаний. Русский ученый Александр Попов, которого считают «отцом» радиосвязи, проводил свои эксперименты именно на основе теории электромагнитных колебаний, результатах исследований Томсона, Гюйгенса, Рэлея. Ему удалось найти практическое применение электромагнитным колебаниям, использовать их для передачи радиосигнала на большое расстояние.
Академик П. Н. Лебедев на протяжении многих лет проводил эксперименты, связанные с получение электромагнитных колебаний высокой частоты с помощью переменны электрических полей. Благодаря многочисленным экспериментам, связанные с различными видами колебаний, ученым удалось найти области их оптимального использования в современной науке и технике.
В зависимости от причин, которые возбуждают колебательный процесс, различают следующие виды колебаний:
· свободные колебания
· вынужденные колебания,
· автоколебания,
· параметрические колебания.
Свободные колебания происходят в системах, которые в начальный момент времени выводятся из состояния равновесия, после чего причины возбуждения устраняются и система продолжает движение при отсутствии внешних воздействий. Колебания происходят за счет запаса энергии, которую получила система при начальном возбуждении.
Вынужденные колебания характеризуются тем, что система находится под постоянным действием внешних динамических нагрузок. Энергия, необходимая для поддержания процесса колебаний, поступает за счет работы внешних воздействий.
Параметрические колебания также возникают при внешних воздействиях, однако они происходят не от воздействия динамических нагрузок, а предопределяются изменением во времени параметров самой системы – масс или жесткостей.
Автоколебания возникают при отсутствии внешних воздействий за счет внутреннего источника энергии и имеют периодический характер.
Все реальные колебательные системы имеют внутреннее трение, в результате чего энергия, которая поддерживает колебательный процесс, постепенно рассеивается. Происходит так называемая диссипация энергии . Аналогичное влияние оказывает сопротивление среды, в которой происходят колебания. Поэтому для поддержания процесса колебаний необходимо иметь постоянный приток энергии, без чего они постепенно прекратятся, затухнут. Во многих случаях, однако, затухание имеет незначительную величину, которая допускает решение задач без учета диссипации энергии. Соответственно различают колебания с учетом и без учета сил сопротивления. Для свободных колебаний применяют понятие затухающих и незатухающих колебаний.
Различают линейные и нелинейные колебания . Первые из них характерны для, так называемых, линейных колебательных систем , которые описываются линейными
дифференциальными уравнениями. Такие колебания называют также малыми, или упругими, поскольку линейная деформируемость сохраняется лишь при малых упругих перемещениях системы. Для линейных колебаний справедлив принцип независимости действия сил (принцип суперпозиции): общий эффект действия нескольких динамических нагрузок можно представить как сумму действий каждой из них в отдельности.
Наконец можно классифицировать колебания в зависимости от характера деформаций, которые возникают в системе. С этой точки зрения можно выделить колебания продольные, поперечные, крутильные, изгибно-крутильные и т.п.
Цель динамического расчета
Основная цель динамического расчета конструкции – обеспечить несущую способность и допустимые перемещения элементов при колебаниях. В соответствии с этим задача динамического расчета конструкции состоит в определении динамических усилий и перемещений, вызванных динамическими деформациями ее элементов. Непосредственному решению этой задачи обычно предшествует анализ частот и форм свободных колебаний сооружения. Благодаря такому анализу можно достаточно надежно прогнозировать развитие динамических процессов при разнообразных внешних воздействиях, а также сформировать эффективные расчетные динамические модели сооружения, с помощью которых выполняются расчеты для оценивания амплитудных величин внутренних усилий и перемещений. Уровень допустимых внутренних усилий определяется условиями динамической прочности, а допустимые размахи колебаний конструкции задаются условиями нормальной эксплуатации. При этом наряду с возможным нарушением нормального хода производственного процесса из-за больших амплитуд колебаний сооружения учитывается также вредное влияние на людей высоких уровней вибрации.
Как правило, выполняя динамический расчет, непосредственно определяют характер изменения перемещений сооружения, который отвечает рассматриваемому режиму колебаний. А затем, зная перемещения, находят внутренние усилия в элементах конструкции.
Считается, что задача динамического расчета решена, если в результате анализа установлено, что для рассматриваемых видов внешних действий обеспечена несущая способность конструкции, а расчетные значения амплитуд колебаний не превышают допустимых. Если же хотя бы одно из этих условий не удовлетворяется, возникает проблема определения эффективного способа снижения уровня вибрации. В современной инженерной практике существует много подходов, с помощью которых можно существенно снизить интенсивность колебаний. Следует отметить, что такие задачи возникают не только на стадии проектирования сооружения, но и в процессе эксплуатации, если оказывается, что в существующем сооружении при определенных условиях развиваются опасные динамические процессы.
