Oscilační pohyb: definice a příklady

V každodenním životě se člověk neustále setkává s projevy oscilačního pohybu. Jedná se o kyvné kyvadlo v hodinách, kolísání automobilových pružin a celého automobilu. Ani zemětřesení není nic jiného než kolísání zemské kůry. Výškové budovy také kolísají od silných nárazů větru. Zkusme zjistit, jak fyzika vysvětluje tento jev.

Kyvadlo jako oscilační systém

Nejviditelnějším příkladem oscilačního pohybu je kyvadlo nástěnných hodin. Průchod kyvadla od nejvyššího bodu vlevo k nejvyššímu bodu vpravo se nazývá jeho úplná oscilace. Období jedné takové úplné oscilace se nazývalo obvod. Frekvence oscilace se nazývá počet oscilací provedených za sekundu.

Ke studiu oscilací se používá jednoduché kyvadlo nití, které se vyrábí zavěšením malé kovové koule na nit. Pokud si představíte, že míč je hmotný bod a vlákno nemá hmotnost s absolutní flexibilitou a nedostatkem tření, získáte teoretické, takzvané matematické kyvadlo.

Období oscilace takového" ideálního " kyvadla lze vypočítat pomocí vzorce:

T = 2π √ l / g,

kde l je délka kyvadla, g — gravitační zrychlení.

Ze vzorce je zřejmé, že perioda oscilace kyvadla nezávisí na jeho hmotnosti a nezohledňuje úhel odchylky od rovnovážné polohy.

Přeměna energie

Jaký je mechanismus pohybů kyvadla, opakujících se s určitou periodou alespoň do nekonečna, pokud by neexistovala třecí a odporová síla, která k překonání vyžaduje určitou práci?

Kyvadlo začíná oscilovat pohybem kvůli energii, kterou mu bylo sděleno. V okamžiku, kdy je kyvadlo odkloněno od svislé polohy, mu řekneme určitou rezervu potenciální energie. Při pohybu kyvadla z horního bodu do původní polohy se potenciální energie změní na kinetickou. V tomto případě se rychlost kyvadla stane největší, protože síla vykazující zrychlení klesá. Vzhledem k nejvyšší rychlosti kyvadla v původní poloze se nezastaví, ale setrvačností se pohybuje dále v oblouku kruhu do přesně stejné výšky jako ta, ze které sestoupil. Takto dochází k přeměně energie vibračním pohybem z potenciálního na kinetický.

Výška zvedání kyvadla se rovná výšce jeho spouštění. Galileo dospěl k tomuto závěru a strávil zkušenosti s kyvadlem pojmenovaným později po něm.

Výkyvy kyvadla jsou nesporným příkladem zákona o zachování energie. A nazývají se harmonické oscilace.

Sinusoid a fáze

Co je harmonický oscilační pohyb. Chcete-li vidět princip takového pohybu, můžete provést následující zkušenost. Na příčce zavěsíme nálevku s pískem. Pod něj položíme list papíru, který lze posunout kolmo k vibracím nálevky. Po uvedení trychtýře do pohybu posuneme papír.

Výsledkem je písečná vlnová čára-sinusová vlna. Takové oscilace, ke kterým dochází podle sinusového zákona, se nazývají sinusové nebo harmonické. S takovými oscilacemi se jakákoli veličina charakterizující pohyb bude měnit podle sinusového nebo kosinového zákona.

Po zvážení sinusoidu vytvořeného na kartonu je možné poznamenat, že písek že vrstva písku v různých částech různých tlouštěk: na vrcholu nebo prohlubni sinusoidu se nalila nejhustěji. To naznačuje, že v těchto bodech byla rychlost kyvadla nejmenší, přesněji nulová, v bodech, kde kyvadlo změnilo pohyb na opačný.

Koncept fáze hraje při studiu oscilací obrovskou roli. Přeloženo do ruštiny, toto slovo znamená "projev". Ve fyzice se fáze nazývá konkrétní fáze nějakého periodického procesu, to znamená místo na sinusoidu, kde je kyvadlo v současné době.

Váhání na svobodě

Pokud je vibračnímu systému dán pohyb a poté přestane být vystaven všem silám a energiím, budou oscilace takového systému označovány jako volné. Oscilace kyvadla, které je poskytováno samo, se postupně začnou rozpadat, amplituda se sníží. Pohyb kyvadla není jen variabilní (rychlejší dole a pomalejší nahoře), ale také proměnná není jednotná.

V harmonických oscilacích se síla, která dává kyvadlu zrychlení, stává slabší se snížením velikosti odchylky od rovnovážného bodu. Existuje proporcionální vztah mezi silou a vzdáleností odchylky. Proto se takové oscilace nazývají harmonické, při kterém úhel odchylky od rovnovážného bodu nepřesahuje deset stupňů.

Nucený pohyb a rezonance

Pro praktické použití v technice se oscilace nesmí rozpadat, což vibračnímu systému říká vnější sílu. Pokud k oscilačnímu pohybu dochází pod vnějším vlivem, nazývá se to nucené. Nucené oscilace se vyskytují s frekvencí, kterou jim dává vnější dopad. Frekvence působící síly třetí strany se může nebo nemusí shodovat s frekvencí vlastních kmitů kyvadla. Při shodě amplituda kmitů narůstá. Příkladem takového zvýšení jsou houpačky, které stoupají výš, pokud jim během pohybu dáte zrychlení a zasáhnete takt svého vlastního pohybu.

Tento jev ve fyzice se nazývá rezonance a má velký význam pro praktické aplikace. Například při ladění rádia na požadovanou vlnu je řízen rezonancí s příslušnou rozhlasovou stanicí. Jev rezonance má negativní důsledky vedoucí ke zničení budov a mostů.

Soběstačné systémy

Kromě nucených a volných výkyvů existují také autoklebace. Vyskytují se s frekvencí samotného oscilačního systému, když na něj působí konstanta, nikoli proměnná síla. Příkladem autoklebování jsou hodiny, jejichž pohyb kyvadla je zajištěn a udržován uvolněním pružiny nebo snížením nákladu. Při hraní na housle se vlastní oscilace strun shodují se silou vyplývající z účinků luku a objevuje se zvuk určité tonality.

Oscilační systémy jsou rozmanité a studium procesů v nich probíhajících v praktických zkušenostech je zajímavé a kognitivní. Praktické aplikace oscilačního pohybu v každodenním životě, vědě a technologii jsou různé a nepostradatelné, od houpání houpačky po výrobu raketových motorů.