انواع مختلفی از نوسانات در فیزیک وجود دارد که با پارامترهای خاصی مشخص می شود. تفاوت های اصلی آنها را در نظر بگیرید، طبقه بندی بر اساس عوامل مختلف.
تعاریف پایه
تغییر به فرآیندی گفته می شود که در فواصل زمانی معین، ویژگی های اصلی حرکت مقادیر یکسانی دارند.
نوسانات تناوبی آنهایی هستند که در آن مقادیر مقادیر پایه در فواصل منظم (دوره نوسان) تکرار می شوند.
انواع فرآیندهای نوسانی
بیایید انواع اصلی نوسانات موجود در فیزیک بنیادی را در نظر بگیریم.
ارتعاشات آزاد آنهایی هستند که در سیستمی رخ می دهند که پس از شوک اولیه تحت تأثیر متغیرهای خارجی قرار نمی گیرند.
نمونه ای از نوسان آزاد یک آونگ ریاضی است.
آن دسته از ارتعاشات مکانیکی که در سیستم تحت تأثیر نیروی متغیر خارجی رخ می دهد.
ویژگی های طبقه بندی
بر اساس ماهیت فیزیکی، انواع حرکات نوسانی زیر متمایز می شوند:
- مکانیکی؛
- حرارتی;
- الکترومغناطیسی؛
- مخلوط.
با توجه به گزینه تعامل با محیط
انواع نوسانات در تعامل با محیط به چند گروه تقسیم می شوند.
نوسانات اجباری در سیستم تحت عمل یک عمل تناوبی خارجی ظاهر می شوند. به عنوان نمونه ای از این نوع نوسان، می توان حرکت دست ها، برگ ها را روی درختان در نظر گرفت.
برای نوسانات هارمونیک اجباری، ممکن است تشدید ظاهر شود، که در آن، با مقادیر مساوی فرکانس تأثیر خارجی و نوسانگر، با افزایش شدید دامنه.
ارتعاشات خود را در سیستم تحت تأثیر نیروهای داخلی پس از خارج شدن از حالت تعادل ایجاد کنید. ساده ترین نسخه ارتعاشات آزاد، حرکت باری است که روی نخی معلق است یا به فنر متصل می شود.
خود نوسانات انواعی هستند که در آن سیستم دارای مقدار معینی انرژی پتانسیل است که برای ایجاد نوسانات استفاده می شود. ویژگی متمایز آنها این واقعیت است که دامنه با ویژگی های خود سیستم مشخص می شود و نه با شرایط اولیه.
برای نوسانات تصادفی، بار خارجی یک مقدار تصادفی دارد.
پارامترهای اساسی حرکات نوسانی
همه حالت های ارتعاش ویژگی های خاصی دارند که باید به طور جداگانه ذکر شود.
دامنه حداکثر انحراف از موقعیت تعادل است، انحراف یک مقدار نوسان است که در متر اندازه گیری می شود.
پریود زمان یک نوسان کامل استکه ویژگی های سیستم را تکرار می کند، در ثانیه محاسبه می شود.
فرکانس با تعداد نوسانات در واحد زمان تعیین می شود و با دوره نوسان نسبت معکوس دارد.
مرحله نوسان وضعیت سیستم را مشخص می کند.
ویژگی نوسانات هارمونیک
این گونه نوسانات طبق قانون کسینوس یا سینوس رخ می دهد. فوریه توانست ثابت کند که هر نوسان تناوبی را می توان به عنوان مجموع تغییرات هارمونیک با بسط یک تابع معین به یک سری فوریه نشان داد.
به عنوان مثال، آونگی را با دوره معین و فرکانس چرخه ای در نظر بگیرید.
این نوع نوسانات چیست؟ فیزیک آونگ ریاضی را یک سیستم ایده آل می داند که از یک نقطه مادی تشکیل شده است که بر روی یک نخ غیر قابل امتداد بی وزن معلق است و تحت تأثیر گرانش در نوسان است.
این گونه ارتعاشات دارای مقدار مشخصی انرژی هستند، آنها در طبیعت و فناوری رایج هستند.
با حرکت نوسانی طولانی، مختصات مرکز جرم آن تغییر می کند و با جریان متناوب، مقدار جریان و ولتاژ در مدار تغییر می کند.
انواع مختلفی از نوسانات هارمونیک بر اساس ماهیت فیزیکی وجود دارد: الکترومغناطیسی، مکانیکی، و غیره.
لرزش وسیله نقلیه ای که در جاده ناهموار حرکت می کند مانند یک نوسان اجباری عمل می کند.
تفاوت های اصلی بین اجباری و رایگاننوسانات
این نوع نوسانات الکترومغناطیسی در مشخصات فیزیکی متفاوت هستند. وجود مقاومت متوسط و نیروهای اصطکاک منجر به میرایی نوسانات آزاد می شود. در مورد نوسانات اجباری، تلفات انرژی با تامین اضافی آن از یک منبع خارجی جبران می شود.
دوره یک آونگ فنری به جرم بدن و سفتی فنر مربوط می شود. در مورد آونگ ریاضی، به طول نخ بستگی دارد.
با یک دوره مشخص، می توانید فرکانس طبیعی سیستم نوسانی را محاسبه کنید.
در فناوری و طبیعت، نوساناتی با مقادیر فرکانس متفاوت وجود دارد. به عنوان مثال، آونگی که در کلیسای جامع سنت اسحاق در سنت پترزبورگ در نوسان است، فرکانس 0.05 هرتز دارد، در حالی که برای اتم ها چندین میلیون مگاهرتز است.
پس از مدت زمان معینی، میرایی نوسانات آزاد مشاهده می شود. به همین دلیل است که از نوسانات اجباری در عمل واقعی استفاده می شود. آنها در انواع ماشین های ارتعاشی مورد تقاضا هستند. چکش ارتعاشی یک ماشین لرزش شوک است که برای راندن لوله ها، شمع ها و سایر سازه های فلزی به داخل زمین طراحی شده است.
نوسانات الکترومغناطیسی
مشخصه‌های حالت‌های نوسان شامل تجزیه و تحلیل پارامترهای فیزیکی اصلی است: شارژ، ولتاژ، قدرت جریان. به عنوان یک سیستم ابتدایی، که برای مشاهده نوسانات الکترومغناطیسی استفاده می شود، یک مدار نوسانی است. از اتصال یک سیم پیچ و یک خازن به صورت سری تشکیل می شود.
وقتی مدار بسته است، الکترومغناطیسی آزاد استنوسانات مرتبط با تغییرات دوره ای در بار الکتریکی خازن و جریان در سیم پیچ.
آنها رایگان هستند زیرا وقتی اجرا می شوند تأثیر خارجی ندارند، بلکه فقط از انرژی ذخیره شده در خود مدار استفاده می شود.
اگر مقاومت سیم پیچ را صفر در نظر بگیریم و دوره نوسان را T در نظر بگیریم، می توانیم یک نوسان کامل توسط سیستم را در نظر بگیریم.
در غیاب تأثیر خارجی، پس از یک دوره زمانی معین، میرایی نوسان الکترومغناطیسی مشاهده می شود. دلیل این پدیده تخلیه تدریجی خازن و همچنین مقاومتی است که سیم پیچ در واقع دارد.
به همین دلیل است که نوسانات میرا در یک مدار واقعی رخ می دهد. کاهش شارژ خازن منجر به کاهش ارزش انرژی در مقایسه با مقدار اولیه آن می شود. به تدریج به صورت گرما روی سیم های اتصال و سیم پیچ آزاد می شود، خازن کاملاً تخلیه می شود و نوسان الکترومغناطیسی کامل می شود.
اهمیت نوسانات در علم و فناوری
هر حرکتی که درجه خاصی از تکرار داشته باشد، نوسان است. برای مثال، یک آونگ ریاضی با یک انحراف سیستماتیک در هر دو جهت از موقعیت عمودی اصلی مشخص می‌شود.
برای آونگ فنری، یک چرخش کامل با حرکت آن به بالا و پایین از موقعیت اولیه مطابقت دارد.
در یک مدار الکتریکی که دارای ظرفیت خازنی و اندوکتانس است، یک بار تکرار در مدار وجود دارد.صفحات خازن علت حرکات نوسانی چیست؟ آونگ به این دلیل عمل می کند که گرانش باعث می شود که به موقعیت اولیه خود بازگردد. در مورد مدل فنر، عملکرد مشابهی توسط نیروی کشسان فنر انجام می شود. با عبور از موقعیت تعادل، بار دارای سرعت معینی است، بنابراین، با اینرسی، از حالت میانگین عبور می کند.
نوسانات الکتریکی را می توان با تفاوت پتانسیلی که بین صفحات یک خازن باردار وجود دارد توضیح داد. حتی زمانی که به طور کامل تخلیه می شود، جریان ناپدید نمی شود، دوباره شارژ می شود.
فناوری مدرن از نوساناتی استفاده می کند که به طور قابل توجهی در ماهیت، درجه تکرار، ماهیت و همچنین "مکانیسم" ظاهر متفاوت است.
ارتعاشات مکانیکی توسط سیم‌های آلات موسیقی، امواج دریا، آونگ ایجاد می‌شوند. نوسانات شیمیایی مرتبط با تغییر در غلظت واکنش دهنده ها هنگام انجام فعل و انفعالات مختلف در نظر گرفته می شود.
نوسانات الکترومغناطیسی امکان ایجاد دستگاه های فنی مختلف مانند تلفن، دستگاه های پزشکی اولتراسونیک را فراهم می کند.
نوسانات روشنایی قیفاووس از علاقه خاصی در اخترفیزیک است و دانشمندان کشورهای مختلف در حال مطالعه آنها هستند.
نتیجه گیری
همه انواع نوسانات ارتباط نزدیکی با تعداد زیادی از فرآیندهای فنی و پدیده های فیزیکی دارند. اهمیت عملی آنها در ساخت هواپیما، کشتی سازی، ساخت مجتمع های مسکونی، مهندسی برق، الکترونیک رادیویی، پزشکی و علوم بنیادی بسیار زیاد است. نمونه ای از یک فرآیند نوسانی معمولی درفیزیولوژی به حرکت عضله قلب کمک می کند. ارتعاشات مکانیکی در شیمی آلی و معدنی، هواشناسی و بسیاری از علوم طبیعی دیگر یافت می شود.
اولین مطالعات آونگ ریاضی در قرن هفدهم انجام شد و در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان توانستند ماهیت نوسانات الکترومغناطیسی را تعیین کنند. دانشمند روسی الکساندر پوپوف که به عنوان "پدر" ارتباطات رادیویی شناخته می شود، آزمایش های خود را دقیقاً بر اساس نظریه نوسانات الکترومغناطیسی، نتایج تحقیقات تامسون، هویگنز و ریلی انجام داد. او موفق شد یک کاربرد عملی برای نوسانات الکترومغناطیسی بیابد تا از آنها برای ارسال سیگنال رادیویی در مسافت طولانی استفاده کند.
آکادمیسین P. N. Lebedev برای سال‌ها آزمایش‌های مربوط به تولید نوسانات الکترومغناطیسی با فرکانس بالا را با استفاده از میدان‌های الکتریکی متناوب انجام داد. به لطف آزمایش های متعدد مربوط به انواع مختلف ارتعاشات، دانشمندان موفق به یافتن مناطقی برای استفاده بهینه از آنها در علم و فناوری مدرن شده اند.
