Трептения: Определение, уравнение, видове и честота

Трептенията са навсякъде около нас, от макроскопичния свят на махалата и вибрациите на струните до микроскопичния свят на движението на електроните в атомите и електромагнитното излъчване.

Движение като това, което претърпява предсказуем повтарящ се модел, е известно катопериодично движениеиликолебателно движение, а изучаването на величините, които ви позволяват да опишете всеки тип колебателно движение, е ключова стъпка в изучаването на физиката на тези системи.

Един конкретен тип периодично движение, което е лесно да се опише математически, епросто хармонично движение, но след като сте разбрали ключовите понятия, е лесно да се обобщи към по-сложни системи.

Периодично движение

Периодичното движение или просто повтарящо се движение се определя от три ключови величини: амплитуда, период и честота. Theамплитуда​ ​Aна всяко периодично движение е максималното изместване от равновесното положение (за което можете да се сетите като позиция „почивка“, като например неподвижно положение на струна или най-ниската точка на махалото път).

instagram story viewer

TheПериод​ ​Tна всяко колебателно движение е времето, необходимо на обекта да завърши един „цикъл“ на движение. Например, махало на часовник може да завърши един пълен цикъл на всеки две секунди, и така би ималоT= 2 s.

Theчестота​ ​ее обратното на периода или с други думи, броят на завършените цикли в секунда (или единица време,T). За махалото на часовник то завършва половин цикъл в секунда и така ее= 0,5 Hz, където 1 херц (Hz) означава едно трептене в секунда.

Обикновено хармонично движение (SHM)

Обикновеното хармонично движение (SHM) е специален случай на периодично движение, при което единствената сила е възстановителна сила, а движението е обикновено трептене. Едно от основните свойства на SHM е, че възстановяващата сила е право пропорционална на изместването от равновесното положение.

Връщайки се към примера на струна, която е изтръгната, колкото по-далеч я издърпате от положението за почивка, толкова по-бързо ще се върне към нея. Другото основно свойство на простото хармонично движение е, че амплитудата е независима от честотата и периода на движението.

Най-простият случай на просто хармонично движение е, когато трептящото движение е само в една посока (т.е. движение напред-назад), но вие може да моделира други видове движения (например кръгово движение) като комбинация от множество случаи на просто хармонично движение в различни посоки, също.

Някои примери за просто хармонично движение включват маса върху пружина, която се издига нагоре и надолу в резултат на удължаване или компресия на пружината, малко ъглово махало люлеене назад и напред под въздействието на гравитацията и дори двуизмерни примери за кръгово движение като дете, което се вози на въртележка или въртележка.

Уравнения на движението за прости хармонични осцилатори

Както беше посочено в предишния раздел, има интересна връзка между равномерното кръгово движение и простото хармонично движение. Представете си точка върху кръг, въртяща се с постоянна скорост по фиксирана ос, и че сте проследявалих-координата на тази точка през цялото й кръгово движение.

Уравненията, които описватхпозиция,хскорост ихускорението на тази точка описва движението на обикновен хармоничен осцилатор. Използвайких​(​T) за позиция като функция от времето,v​(​T) за скоростта като функция от времето иа​(​T) за ускорение като функция от времето уравненията са:

x (t) = A \ sin (ωt) \\ v (t) = −Aω \ cos (ωt) \\ a (t) = −Aω ^ 2 \ sin (ωt)

Къдетоωе ъгловата честота (свързана с обикновената честота отω​ = 2π​е) в единици радиани в секунда и ние използваме времетоTкакто в повечето уравнения. Както е посочено в първия раздел,Aе амплитудата на движението.

От тези дефиниции можете да характеризирате простото хармонично движение и колебателното движение като цяло. Например, можете да видите от синусовата функция както в уравненията за положение, така и в ускорението, че тези две варират заедно и така максималното ускорение се получава при максимално изместване. Уравнението на скоростта зависи от косинуса, който приема своята максимална (абсолютна) стойност точно наполовина между максималното ускорение (или изместване) вхили -хпосока, или с други думи, в равновесно положение.

Меса на извор

Законът на Хук описва форма на просто хармонично движение за пружина и гласи, че възстановяващата сила за пружината е пропорционална на изместването от равновесие (∆х, т.е. промяна вх) и има „константа на пропорционалност“, наречена пружинна константа,к. В символите уравнението гласи:

F_ {пролет} = −k∆x

Отрицателният знак тук ви казва, че силата е възстановяваща сила, която действа в посока, обратна на изместването и се измерва в единица сила SI, нютон (N).

За масамна пружина отново се извиква максималното изместване (амплитуда)A, иωсе определя като:

ω = \ sqrt {\ frac {k} {m}}

Това уравнение може да се използва с уравнението на положението за просто хармонично движение (за намиране на положението на масата по всяко време) и след това да се замести на мястото на ∆хв закона на Хук за определяне на размера на възстановяващата сила по всяко времеT. Пълната връзка за възстановяващата сила ще бъде:

F_ {пролет} = −k A \ sin \ bigg (\ sqrt {\ frac {k} {m}} t \ bigg)

Малко ъглово махало

За махало с малък ъгъл, възстановяващата сила е пропорционална на максималното ъглово изместване (т.е. промяната от положението на равновесие, изразено като ъгъл). Тук амплитудатаAе максималният ъгъл на махалото иωсе определя като:

ω = \ sqrt {\ frac {g} {L}}

Къдетож= 9,81 m / s2 иLе дължината на махалото. Отново, това може да бъде заменено в уравненията на движението за просто хармонично движение, с изключение на това, че трябва да го забележитехв този случай би се позовал наъгловаизместване, а не линейно изместване вx-посока. Това понякога се посочва чрез използване на символа theta (θ) на мястото нахв такъв случай.

Приглушени колебания

В много случаи във физиката се пренебрегват усложнения като триене, за да се направят изчисленията по-опростени в ситуации, когато те така или иначе биха били незначителни. Има изрази, които можете да използвате, ако трябва да изчислите случай, в който триенето става важно, но ключовата точка за не забравяйте, че с отчетеното триене, трептенията стават „потиснати“, което означава, че намаляват в амплитуда с всяко трептене. Периодът и честотата на трептенията обаче остават непроменени дори при наличие на триене.

Принудителни трептения и резонанс

Резонансът е основно противоположността на затихнало трептене. Всички обекти имат естествена честота, на която те „обичат” да трептят и ако трептенето е принудително или задвижвано с тази честота (от периодична сила), амплитудата на движението ще се увеличи. Честотата, с която възниква резонансът, се нарича резонансна честота и като цяло всички обекти имат своя собствена резонансна честота, която зависи от техните физически характеристики.

Както при затихването, изчисляването на движението при тези обстоятелства се усложнява, но е възможно, ако се справяте с проблем, който го изисква. Разбирането на ключовите аспекти на това как се държи обектът в тези ситуации е достатъчно за повечето цели, особено ако за първи път научавате за физиката на трептения!

Teachs.ru
  • Дял
instagram viewer