Existem diferentes tipos de oscilações na física, caracterizadas por determinados parâmetros. Considere suas principais diferenças, classificação de acordo com diferentes fatores.
Definições básicas
Sob flutuação entende-se um processo em que em intervalos regulares as principais características do movimento têm os mesmos valores.
Oscilações periódicas são aquelas em que os valores das grandezas básicas se repetem em intervalos regulares (período de oscilação).
Variedades de processos oscilatórios
Vamos considerar os principais tipos de oscilações que existem na física fundamental.
Vibrações livres são aquelas que ocorrem em um sistema que não está sujeito a influências variáveis externas após o choque inicial.
Um exemplo de oscilação livre é um pêndulo matemático.
Esses tipos de vibrações mecânicas que ocorrem no sistema sob a ação de uma força variável externa.
Características de classificação
Por natureza física, distinguem-se os seguintes tipos de movimentos oscilatórios:
- mecânico;
- térmica;
- eletromagnético;
- misto.
De acordo com a opção de interação com o ambiente
Os tipos de flutuações na interação com o ambiente são divididos em vários grupos.
As oscilações forçadas aparecem no sistema sob a ação de uma ação periódica externa. Como exemplos desse tipo de oscilação, podemos considerar o movimento das mãos, folhas nas árvores.
Para oscilações harmônicas forçadas, pode aparecer uma ressonância, na qual, com valores iguais da frequência da influência externa e do oscilador, com um aumento acentuado da amplitude.
Vibrações próprias no sistema sob a influência de forças internas após ser retirado do equilíbrio. A variante mais simples de vibrações livres é o movimento de uma carga suspensa em um fio ou presa a uma mola.
Auto-oscilações são tipos em que o sistema tem uma certa quantidade de energia potencial usada para fazer oscilações. Sua característica distintiva é o fato de que a amplitude é caracterizada pelas propriedades do próprio sistema, e não pelas condições iniciais.
Para flutuações aleatórias, a carga externa tem um valor aleatório.
Parâmetros básicos de movimentos oscilatórios
Todos os modos de vibração possuem certas características que devem ser mencionadas separadamente.
A amplitude é o desvio máximo da posição de equilíbrio, o desvio de um valor flutuante, é medido em metros.
Período é o tempo de um movimento completo, passandoque repete as características do sistema, é calculado em segundos.
A frequência é determinada pelo número de oscilações por unidade de tempo, é inversamente proporcional ao período de oscilação.
A fase de oscilação caracteriza o estado do sistema.
Característica das oscilações harmônicas
Tais tipos de oscilações ocorrem de acordo com a lei do cosseno ou seno. Fourier conseguiu estabelecer que qualquer oscilação periódica pode ser representada como uma soma de mudanças harmônicas expandindo uma determinada função em uma série de Fourier.
Como exemplo, considere um pêndulo com um certo período e frequência cíclica.
O que caracteriza esses tipos de flutuações? A física considera o pêndulo matemático como um sistema idealizado, que consiste em um ponto material, que está suspenso em um fio sem peso e inextensível, oscila sob a influência da gravidade.
Tais tipos de vibrações têm uma certa quantidade de energia, são comuns na natureza e na tecnologia.
Com movimento oscilatório prolongado, a coordenada de seu centro de massa muda, e com corrente alternada, o valor da corrente e tensão no circuito muda.
Existem diferentes tipos de oscilações harmônicas por natureza física: eletromagnética, mecânica, etc.
O tremor de um veículo que se move em uma estrada irregular atua como uma oscilação forçada.
Principais diferenças entre forçado e livreflutuações
Esses tipos de oscilações eletromagnéticas diferem nas características físicas. A presença de resistência média e forças de atrito levam ao amortecimento das oscilações livres. No caso de oscilações forçadas, as perdas de energia são compensadas pelo seu fornecimento adicional de uma fonte externa.
O período de um pêndulo de mola relaciona a massa do corpo e a rigidez da mola. No caso de um pêndulo matemático, depende do comprimento do fio.
Com um período conhecido, você pode calcular a frequência natural do sistema oscilatório.
Na tecnologia e na natureza, existem flutuações com diferentes valores de frequência. Por exemplo, o pêndulo que oscila na Catedral de Santo Isaac em São Petersburgo tem uma frequência de 0,05 Hz, enquanto para os átomos é de vários milhões de megahertz.
Após um certo período de tempo, observa-se o amortecimento das oscilações livres. É por isso que as oscilações forçadas são usadas na prática real. Eles estão em demanda em uma variedade de máquinas de vibração. O martelo vibratório é uma máquina de vibração de choque projetada para cravar tubos, estacas e outras estruturas metálicas no solo.
Oscilações eletromagnéticas
A caracterização dos modos de oscilação envolve a análise dos principais parâmetros físicos: carga, tensão, intensidade da corrente. Como um sistema elementar, que é usado para observar oscilações eletromagnéticas, é um circuito oscilatório. Ele é formado conectando uma bobina e um capacitor em série.
Quando o circuito está fechado, energia eletromagnéticaflutuações associadas a mudanças periódicas na carga elétrica no capacitor e na corrente na bobina.
São livres devido ao fato de que quando são realizadas não há influência externa, mas apenas a energia armazenada no próprio circuito é utilizada.
Se considerarmos a resistência da bobina igual a zero, e tomarmos o período de oscilação como T, podemos considerar uma oscilação completa feita pelo sistema.
Na ausência de influência externa, após um certo período de tempo, observa-se o amortecimento da oscilação eletromagnética. A razão para este fenômeno será a descarga gradual do capacitor, assim como a resistência que a bobina realmente possui.
É por isso que as oscilações amortecidas ocorrem em um circuito real. Reduzir a carga no capacitor leva a uma diminuição no valor da energia em comparação com seu valor original. Gradualmente, ele será liberado como calor nos fios de conexão e na bobina, o capacitor será completamente descarregado e a oscilação eletromagnética será completada.
A importância das flutuações na ciência e tecnologia
Quaisquer movimentos que tenham um certo grau de repetição são oscilações. Por exemplo, um pêndulo matemático é caracterizado por um desvio sistemático em ambas as direções da posição vertical original.
Para um pêndulo de mola, um movimento completo corresponde ao seu movimento para cima e para baixo a partir da posição inicial.
Em um circuito elétrico que tem capacitância e indutância, há uma repetição de carga emplacas do capacitor. Qual é a causa dos movimentos oscilatórios? O pêndulo funciona devido ao fato de que a gravidade faz com que ele retorne à sua posição original. No caso de um modelo de mola, uma função semelhante é desempenhada pela força elástica da mola. Passando a posição de equilíbrio, a carga tem uma certa velocidade, portanto, por inércia, ela se move além do estado médio.
Oscilações elétricas podem ser explicadas pela diferença de potencial que existe entre as placas de um capacitor carregado. Mesmo quando está completamente descarregada, a corrente não desaparece, ela é recarregada.
A tecnologia moderna usa flutuações que diferem significativamente em sua natureza, grau de repetição, natureza e também o “mecanismo” de aparência.
As vibrações mecânicas são feitas por cordas de instrumentos musicais, ondas do mar, um pêndulo. Flutuações químicas associadas a uma mudança na concentração de reagentes são levadas em consideração ao conduzir várias interações.
Oscilações eletromagnéticas permitem a criação de diversos dispositivos técnicos, como telefones, dispositivos médicos ultrassônicos.
As flutuações de brilho das Cefeidas são de particular interesse em astrofísica, e cientistas de diferentes países estão estudando-as.
Conclusão
Todos os tipos de oscilações estão intimamente relacionados a um grande número de processos técnicos e fenômenos físicos. Sua importância prática é grande na construção de aeronaves, construção naval, construção de complexos residenciais, engenharia elétrica, eletrônica de rádio, medicina e ciência fundamental. Um exemplo de um processo oscilatório típico emA fisiologia favorece o movimento do músculo cardíaco. As vibrações mecânicas são encontradas em química orgânica e inorgânica, meteorologia e muitas outras ciências naturais.
Os primeiros estudos do pêndulo matemático foram realizados no século XVII e, no final do século XIX, os cientistas conseguiram estabelecer a natureza das oscilações eletromagnéticas. O cientista russo Alexander Popov, considerado o "pai" das comunicações de rádio, realizou seus experimentos precisamente com base na teoria das oscilações eletromagnéticas, resultados de pesquisas de Thomson, Huygens e Rayleigh. Ele conseguiu encontrar uma aplicação prática para as oscilações eletromagnéticas, para usá-las para transmitir um sinal de rádio a longa distância.
O acadêmico P. N. Lebedev por muitos anos conduziu experimentos relacionados à produção de oscilações eletromagnéticas de alta frequência usando campos elétricos alternados. Graças a vários experimentos relacionados a vários tipos de vibrações, os cientistas conseguiram encontrar áreas para seu uso ideal na ciência e tecnologia modernas.
