Mișcarea oscilatorie: definiție și exemple

În viața de zi cu zi, omul se confruntă în mod constant cu mișcarea vibrațională. Este vorba de oscilația pendulului unui ceas, de oscilația arcurilor mașinii și de întreaga mașină. Chiar și un cutremur nu este altceva decât o mișcare a scoarței terestre. Clădirile înalte oscilează și în rafalele puternice de vânt. Să ne uităm la modul în care fizica explică acest fenomen.

Pendulul ca sistem oscilant

Cel mai evident exemplu de mișcare oscilantă este pendulul unui ceas de perete. Mișcarea unui pendul de la punctul cel mai înalt din stânga la punctul cel mai înalt din dreapta se numește oscilație completă. Perioada unei astfel de oscilații complete se numește perimetru. Frecvența unei oscilații reprezintă numărul de vibrații pe secundă.

Pentru a studia vibrațiile, se folosește un pendul simplu, realizat prin suspendarea unei bile metalice mici de un fir de ață. Dacă presupunem că bila este un punct material, iar coarda este lipsită de masă, perfect flexibilă și fără frecare, obținem un așa-numit pendul matematic teoretic.

Perioada de oscilație a unui astfel de pendul "ideal" poate fi calculată conform formulei:

T = 2π √ l / g,

unde l este lungimea pendulului, g accelerația gravitației.

Din formulă se observă că perioada de oscilație a pendulului este independentă de masa acestuia și nu ține cont de unghiul de abatere de la poziția de echilibru.

Transformarea energiei

Care este mecanismul mișcărilor unui pendul, repetate cu o anumită perioadă chiar până la infinit, dacă nu ar exista forța de frecare și de rezistență, pentru a căror învingere este necesar un anumit lucru?

Mișcarea de oscilație a unui pendul începe cu energia care îi este transmisă. În momentul în care îndepărtăm pendulul din poziția sa verticală, îi transmitem o rezervă de energie potențială. Pe măsură ce pendulul se deplasează din poziția de sus în poziția inițială, energia potențială se transformă în energie cinetică. Viteza pendulului va fi cea mai mare pe măsură ce forța care transportă accelerația scade. Deoarece viteza pendulului este cea mai mare în poziția sa inițială, acesta nu se oprește, ci se deplasează de-a lungul unui arc de cerc până la exact aceeași înălțime de la care a coborât. Schimbarea energiei într-o mișcare oscilatorie din energie potențială în energie cinetică.

Înălțimea de creștere a unui pendul este egală cu înălțimea de cădere a acestuia. Galileo a ajuns la această concluzie prin efectuarea unui experiment cu un pendul, numit mai târziu după el.

Mișcarea oscilantă a unui pendul este un exemplu convingător al legii conservării energiei. Și se numesc oscilații armonice.

Sinusoid și fază

Ce este mai exact o mișcare oscilantă armonică. Pentru a vedea principiul acestei mișcări, puteți efectua următorul experiment. Suspendați pâlnia cu nisipul pe bara transversală. Sub ea, plasăm o foaie de hârtie care poate fi deplasată perpendicular pe vibrația pâlniei. Mișcarea vortexului, mișcarea hârtiei.

Rezultatul este o linie ondulată scrisă în nisip - o sinusoidă. Aceste vibrații, care se produc după legea sinusoidală, se numesc sinusoidale sau armonice. În cazul acestui tip de oscilație, orice mărime care descrie mișcarea se va modifica în conformitate cu legea sinusului sau a cosinusului.

Stratul de nisip de pe sinusoidul de carton este de grosime variabilă: în vârful sau în depresiunea sinusoidului este cel mai dens turnat. Acest lucru indică faptul că în aceste puncte viteza pendulului a fost cea mai mică, sau mai degrabă zero, în punctele în care pendulul și-a inversat mișcarea.

Noțiunea de fază joacă un rol enorm în studiul oscilațiilor. Tradus în limba rusă, cuvântul înseamnă "manifestare". În fizică, faza este stadiul specific al unui proces periodic, adică locul unde se află pendulul în momentul respectiv pe unda sinusoidală.

Fluctuații în libertate

Dacă unui sistem oscilant i se dă mișcare și apoi este oprit de toate forțele și energiile, vibrațiile unui astfel de sistem se numesc libere. Oscilațiile unui pendul, care este lăsat în voia lui, vor începe treptat să se amortizeze, iar amplitudinea sa va scădea. Mișcarea pendulului nu este pur și simplu variabilă (mai rapidă în partea de jos și mai lentă în partea de sus), ci și variabilă și neuniformă.

În cazul oscilațiilor armonice, forța care dă accelerația pendulului devine mai slabă pe măsură ce mărimea deviației față de punctul de echilibru scade. Există o relație proporțională între forță și deformare. Prin urmare, vibrațiile unui astfel de sistem se numesc vibrații armonice, în care unghiul de deviație de la punctul de echilibru nu depășește zece grade.

Mișcare forțată și rezonanță

Pentru aplicațiile practice în tehnologie, vibrațiile sunt menținute neamorsate prin aplicarea unei forțe externe asupra sistemului oscilant. Dacă o mișcare oscilantă este cauzată de o forță exterioară, ea se numește mișcare forțată. Oscilațiile forțate se produc la frecvența dată de forța exterioară. Frecvența forței externe poate coincide sau nu cu frecvența naturală a pendulului. Când coincidența amplitudinea de vibrație creșteri . Un exemplu al acestei măriri este un balansoar care se ridică mai sus dacă, în timpul mișcării, i se dă o accelerație prin prinderea în bătaia propriei mișcări.

Acest fenomen se numește rezonanță în fizică și este de mare importanță pentru aplicațiile practice. De exemplu, atunci când acordați un receptor de radio pe unda corectă, acesta este adus în rezonanță cu postul de radio corespunzător. Fenomenul de rezonanță are și consecințe negative, ducând la distrugerea clădirilor și podurilor.

Sisteme de autosusținere

În plus față de vibrațiile forțate și libere, există și autooscilații. Se produce la frecvența sistemului oscilant însuși, atunci când i se aplică o forță constantă, nu alternantă. Un exemplu de auto-oscilație este un ceas în care mișcarea pendulului este asigurată și menținută prin derularea unui resort sau prin coborârea unei greutăți. Când se cântă la vioară, vibrațiile naturale ale corzilor coincid cu forța exercitată de arcuș și se produce un sunet de o anumită tonalitate.

Sistemele de oscilații sunt foarte variate, iar cunoașterea comportamentului lor prin experimente practice este atât interesantă, cât și instructivă. Aplicațiile practice ale mișcării oscilatorii în viața de zi cu zi, în știință și tehnologie sunt variate și indispensabile: de la leagănele de balans la fabricarea motoarelor de rachetă.