در زندگی روزمره، فرد دائماً با مظاهر حرکت نوسانی روبرو می شود. این چرخش آونگ در ساعت، ارتعاشات فنرهای خودرو و کل ماشین است. حتی یک زلزله چیزی جز ارتعاشات پوسته زمین نیست. ساختمان های مرتفع نیز در اثر وزش باد شدید در نوسان هستند. بیایید سعی کنیم بفهمیم که چگونه فیزیک این پدیده را توضیح می دهد.
آونگ به عنوان یک سیستم نوسانی
بارزترین مثال از حرکت نوسانی، آونگ ساعت دیواری است. عبور آونگ از بالاترین نقطه سمت چپ به بالاترین نقطه سمت راست را نوسان کامل آن می گویند. دوره یکی از این نوسانات کامل، محیط نامیده می شود. فرکانس نوسان تعداد نوسانات در ثانیه است.
برای مطالعه نوسانات از آونگ نخ ساده استفاده می شود که با آویزان کردن یک توپ فلزی کوچک روی نخ ساخته می شود. اگر تصور کنیم که توپ یک نقطه مادی است و نخ جرمی در مطلق نداردانعطاف پذیری و عدم اصطکاک، شما یک آونگ نظری، به اصطلاح ریاضی به دست می آورید.
دوره نوسان چنین آونگ "ایده آل" را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
T=2π √ l / g،
جایی که l طول آونگ است، g شتاب سقوط آزاد است.
فرمول نشان می دهد که دوره نوسان آونگ به جرم آن بستگی ندارد و زاویه انحراف از موقعیت تعادل را در نظر نمی گیرد.
تغییر انرژی
مکانیسم حرکت آونگ که با یک دوره معین حتی تا بی نهایت تکرار می شود، اگر نیروهای اصطکاک و مقاومتی وجود نداشته باشد، برای غلبه بر آن کار خاصی لازم است، چیست؟
آونگ به دلیل انرژی داده شده به آن شروع به نوسان می کند. در لحظه ای که آونگ از حالت عمودی خارج می شود، مقدار مشخصی انرژی پتانسیل به آن می دهیم. هنگامی که آونگ از نقطه بالایی خود به موقعیت اولیه خود حرکت می کند، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در این حالت، سرعت آونگ به بیشترین مقدار خواهد رسید، زیرا نیروی ایجاد کننده شتاب کاهش می یابد. با توجه به اینکه سرعت آونگ در موقعیت اولیه بیشترین است، متوقف نمی شود، بلکه با اینرسی بیشتر در امتداد قوس دایره حرکت می کند تا دقیقاً به همان ارتفاعی که از آن فرود آمده است. به این ترتیب انرژی در طول حرکت نوسانی از پتانسیل به جنبشی تبدیل می شود.
ارتفاع آونگ برابر با ارتفاع پایین آمدن آن است. گالیله هنگام انجام آزمایشی با آونگی که بعدها به نام او نامگذاری شد به این نتیجه رسید.
نوسان پاندول نمونه ای غیرقابل انکار از قانون بقای انرژی است. و به آنها ارتعاشات هارمونیک می گویند.
موج سینوسی و فاز
حرکت نوسانی هارمونیک چیست؟ برای مشاهده اصل چنین حرکتی می توانید آزمایش زیر را انجام دهید. ما یک قیف با شن و ماسه را روی میله متقاطع آویزان می کنیم. در زیر آن یک ورق کاغذ قرار می دهیم که می توان آن را عمود بر نوسانات قیف جابجا کرد. پس از راه اندازی قیف، کاغذ را جابجا می کنیم.
نتیجه یک خط موجی است که در شن نوشته شده است - یک سینوسی. این نوسانات که مطابق با قانون سینوس رخ می دهند سینوسی یا هارمونیک نامیده می شوند. با چنین نوساناتی، هر کمیتی که حرکت را مشخص می کند، مطابق قانون سینوس یا کسینوس تغییر می کند.
پس از بررسی سینوسی تشکیل شده بر روی مقوا، می توان به این نکته اشاره کرد که ماسه یک لایه ماسه در بخش های مختلف آن با ضخامت های مختلف است: در بالا یا پایین سینوسی، متراکم ترین انباشته شده است. این نشان می‌دهد که در این نقاط، سرعت آونگ در نقاطی که آونگ حرکت خود را معکوس می‌کند، کمترین یا بهتر است بگوییم صفر بوده است.
مفهوم فاز نقش بزرگی در مطالعه نوسانات دارد. این کلمه که به روسی ترجمه شده است به معنای "تجلی" است. در فیزیک، فاز مرحله خاصی از یک فرآیند تناوبی است، یعنی مکانی روی سینوسی که آونگ در حال حاضر در آن قرار دارد.
تردید در سست
اگر به سیستم نوسانی حرکت داده شود و سپس متوقف شودتحت تأثیر هر نیرو و انرژی، نوسانات چنین سیستمی آزاد نامیده می شود. نوسانات آونگ که به حال خود رها شده است، به تدریج شروع به محو شدن می کند، دامنه کاهش می یابد. حرکت آونگ نه تنها متغیر است (سریعتر در پایین و کندتر در بالا)، بلکه به طور یکنواخت نیز متغیر نیست.
در نوسانات هارمونیک، نیرویی که به آونگ شتاب می دهد با کاهش مقدار انحراف از نقطه تعادل ضعیف تر می شود. بین نیرو و فاصله انحراف رابطه متناسبی وجود دارد. بنابراین به چنین ارتعاشاتی هارمونیک می گویند که در آن زاویه انحراف از نقطه تعادل از ده درجه تجاوز نمی کند.
حرکت و طنین اجباری
برای کاربرد عملی در مهندسی، ارتعاشات اجازه پوسیدگی ندارند و نیروی خارجی به سیستم نوسانی وارد می کنند. اگر حرکت نوسانی تحت تأثیر خارجی اتفاق بیفتد به آن اجباری می گویند. نوسانات اجباری با فرکانسی رخ می دهند که یک تأثیر خارجی آنها را تعیین می کند. فرکانس نیروی خارجی فعال ممکن است با فرکانس نوسانات طبیعی آونگ منطبق باشد یا نباشد. هنگام تصادف، دامنه نوسانات افزایش می یابد. نمونه ای از چنین افزایشی، تاب است که اگر در حین حرکت، به آنها شتاب بدهید و ضربان حرکت خودشان را بزنید، بلندتر می شود.
این پدیده در فیزیک رزونانس نامیده می شود و برای کاربردهای عملی از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، هنگام تنظیم یک گیرنده رادیویی بر روی موج مورد نظر، با ایستگاه رادیویی مربوطه تشدید می شود. پدیده رزونانس نیز پیامدهای منفی دارد،منجر به تخریب ساختمان ها و پل ها می شود.
سیستم های خودکفا
علاوه بر ارتعاشات اجباری و آزاد، نوسانات خود نیز وجود دارد. آنها با فرکانس خود سیستم نوسانی هنگامی که در معرض یک نیروی ثابت و نه متغیر قرار می گیرند، رخ می دهند. نمونه ای از خود نوسانات یک ساعت است، حرکت آونگ که در آن با باز کردن فنر یا پایین آوردن بار تامین و حفظ می شود. هنگام نواختن ویولن، ارتعاشات طبیعی سیم‌ها با نیروی ناشی از تأثیر آرشه همزمان می‌شود و صدایی با تونالیته خاصی ظاهر می‌شود.
سیستم های نوسانی متنوع هستند و مطالعه فرآیندهای رخ داده در آنها در آزمایش های عملی جالب و آموزنده است. کاربرد عملی حرکت نوسانی در زندگی روزمره، علم و فناوری متنوع و ضروری است: از تابش تا تولید موتور موشک.
