Có nhiều dạng dao động khác nhau trong vật lý, được đặc trưng bởi một số tham số nhất định. Xem xét sự khác biệt chính của chúng, phân loại theo các yếu tố khác nhau.
Định nghĩa cơ bản
Dao động dưới có nghĩa là một quá trình trong đó các đặc điểm chính của chuyển động đều đặn có cùng giá trị.
Dao động tuần hoàn là dao động mà giá trị của các đại lượng cơ bản lặp lại đều đặn (chu kỳ dao động).
Sự đa dạng của các quá trình dao động
Hãy xem xét các dạng dao động chính tồn tại trong vật lý cơ bản.
Rung động tự do là những rung động xảy ra trong một hệ thống không chịu các tác động biến đổi bên ngoài sau cú sốc ban đầu.
Một ví dụ về dao động tự do là một con lắc toán học.
Những loại dao động cơ học xảy ra trong hệ thống dưới tác dụng của ngoại lực biến thiên.
Tính năng phân loại
Theo bản chất vật lý, các dạng chuyển động dao động sau đây được phân biệt:
- cơ;
- nhiệt;
- điện từ;
- hỗn hợp.
Theo tùy chọn tương tác với môi trường
Các loại dao động tương tác với môi trường được chia thành nhiều nhóm.
Dao động cưỡng bức xuất hiện trong hệ dưới tác dụng của ngoại cảnh tuần hoàn. Ví dụ về loại dao động này, chúng ta có thể coi là chuyển động của bàn tay, lá trên cây.
Đối với dao động điều hòa cưỡng bức, có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng, trong đó tần số của tác động bên ngoài và dao động có giá trị bằng nhau, biên độ tăng mạnh.
Dao động riêng trong hệ dưới tác dụng của nội lực sau khi nó được đưa ra khỏi trạng thái cân bằng. Biến thể đơn giản nhất của dao động tự do là chuyển động của một tải trọng được treo trên một sợi chỉ hoặc gắn vào một lò xo.
Dao động tự thân là loại trong đó hệ có một lượng thế năng nhất định dùng để thực hiện dao động. Đặc điểm phân biệt của chúng là thực tế là biên độ được đặc trưng bởi các thuộc tính của chính hệ thống, chứ không phải bởi các điều kiện ban đầu.
Đối với các biến động ngẫu nhiên, tải trọng bên ngoài có giá trị ngẫu nhiên.
Các thông số cơ bản của chuyển động dao động
Tất cả các chế độ rung đều có những đặc điểm nhất định cần được đề cập riêng.
Biên độ là độ lệch lớn nhất so với vị trí cân bằng, độ lệch của một giá trị dao động, nó được đo bằng mét.
Giai đoạn là thời gian của một lần xoay tròn, qualặp lại các đặc tính của hệ thống, được tính bằng giây.
Tần số được xác định bằng số lần dao động trong một đơn vị thời gian, nó tỷ lệ nghịch với chu kỳ dao động.
Pha dao động đặc trưng cho trạng thái của hệ.
Đặc trưng của dao động điều hòa
Các dạng dao động như vậy xảy ra theo quy luật côsin hoặc sin. Fourier đã quản lý để thiết lập rằng bất kỳ dao động tuần hoàn nào có thể được biểu diễn dưới dạng tổng các thay đổi điều hòa bằng cách mở rộng một hàm nhất định thành một chuỗi Fourier.
Ví dụ, hãy xem xét một con lắc có chu kỳ nhất định và tần số tuần hoàn.
Điều gì đặc trưng cho các loại biến động này? Vật lý học coi con lắc toán học là một hệ thống được lý tưởng hóa, bao gồm một điểm vật chất, được treo trên một sợi không có trọng lượng không thể uốn nắn, dao động dưới tác dụng của trọng lực.
Những kiểu rung động như vậy có một lượng năng lượng nhất định, chúng phổ biến trong tự nhiên và công nghệ.
Với chuyển động dao động kéo dài, tọa độ của khối tâm của nó thay đổi, còn với dòng điện xoay chiều, giá trị của cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong mạch thay đổi.
Có các dạng dao động điều hòa khác nhau theo bản chất vật lý: điện từ, cơ học, v.v.
Sự rung lắc của một chiếc xe di chuyển trên đường gồ ghề đóng vai trò như một dao động cưỡng bức.
Sự khác biệt chính giữa bắt buộc và miễn phíbiến động
Các loại dao động điện từ này khác nhau về đặc điểm vật lý. Sự có mặt của lực cản và lực ma sát trung bình dẫn đến dao động tự do tắt dần. Trong trường hợp dao động cưỡng bức, tổn thất năng lượng được bù đắp bằng nguồn cung cấp bổ sung từ nguồn bên ngoài.
Chu kỳ của con lắc lò xo liên hệ giữa khối lượng của vật và độ cứng của lò xo. Trong trường hợp của một con lắc toán học, nó phụ thuộc vào độ dài của sợi chỉ.
Với chu kỳ đã biết, bạn có thể tính tần số riêng của hệ dao động.
Trong công nghệ và tự nhiên, có những biến động với các giá trị tần số khác nhau. Ví dụ, con lắc dao động trong nhà thờ St. Isaac ở St. Petersburg có tần số 0,05 Hz, trong khi đối với nguyên tử là vài triệu megahertz.
Sau một khoảng thời gian nhất định, dao động tự do tắt dần. Đó là lý do tại sao dao động cưỡng bức được sử dụng trong thực tế. Họ đang có nhu cầu về nhiều loại máy rung. Búa rung là một máy rung chấn động được thiết kế để đóng các đường ống, cọc và các kết cấu kim loại khác xuống đất.
Dao động điện từ
Đặc điểm của các chế độ dao động liên quan đến việc phân tích các thông số vật lý chính: điện tích, điện áp, cường độ dòng điện. Là một hệ cơ bản, được sử dụng để quan sát dao động điện từ, là một mạch dao động. Nó được hình thành bằng cách kết nối một cuộn dây và một tụ điện mắc nối tiếp.
Khi đóng mạch, điện từ tự dobiến động liên kết với sự biến thiên tuần hoàn của điện tích trên tụ điện và cường độ dòng điện trong cuộn cảm.
Chúng miễn phí do khi chúng được thực hiện không có tác động bên ngoài mà chỉ sử dụng năng lượng tích trữ trong mạch.
Nếu ta coi điện trở của cuộn dây bằng 0 và lấy chu kỳ dao động là T, ta có thể coi là một dao động hoàn chỉnh do hệ thực hiện.
Trong trường hợp không có tác động bên ngoài, sau một khoảng thời gian nhất định, dao động điện từ tắt dần. Lý do cho hiện tượng này là do sự phóng điện dần dần của tụ điện, cũng như điện trở mà cuộn dây thực sự có.
Đó là lý do tại sao dao động tắt dần xảy ra trong mạch thực. Giảm điện tích trên tụ dẫn đến giảm giá trị năng lượng so với giá trị ban đầu. Dần dần, nó sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt trên dây kết nối và cuộn dây, tụ điện sẽ được phóng điện hoàn toàn và hoàn thành dao động điện từ.
Tầm quan trọng của những biến động trong khoa học và công nghệ
Bất kỳ chuyển động nào có mức độ lặp lại nhất định đều là dao động. Ví dụ, một con lắc toán học được đặc trưng bởi độ lệch có hệ thống theo cả hai hướng so với vị trí thẳng đứng ban đầu.
Đối với con lắc lò xo, một lần dao động hoàn toàn tương ứng với chuyển động lên xuống của nó so với vị trí ban đầu.
Trong mạch điện có điện dung và độ tự cảm, có sự lặp lại của điện tíchcác bản tụ điện. Nguyên nhân của chuyển động dao động là gì? Cơ năng của con lắc do trọng lực tác động trở lại vị trí ban đầu. Trong trường hợp của một mô hình lò xo, một cơ năng tương tự được thực hiện bởi lực đàn hồi của lò xo. Qua vị trí cân bằng, tải có một tốc độ nhất định, do đó theo quán tính, tải chuyển động qua trạng thái trung bình.
Dao động điện có thể được giải thích bằng hiệu điện thế tồn tại giữa các bản của tụ điện. Ngay cả khi nó được xả hoàn toàn, dòng điện không biến mất, nó được sạc lại.
Công nghệ hiện đại sử dụng các dao động khác nhau đáng kể về bản chất, mức độ lặp lại, bản chất và cả “cơ chế” của sự xuất hiện.
Rung động cơ học được tạo ra bởi dây của nhạc cụ, sóng biển, một con lắc. Sự dao động hóa học liên quan đến sự thay đổi nồng độ của các chất phản ứng được tính đến khi tiến hành các tương tác khác nhau.
Dao động điện từ cho phép tạo ra nhiều thiết bị kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như điện thoại, thiết bị y tế siêu âm.
Sự dao động độ sáng của Cepheids được giới vật lý thiên văn đặc biệt quan tâm và các nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau đang nghiên cứu chúng.
Kết
Tất cả các dạng dao động đều liên quan mật thiết đến một số lượng lớn các quy trình kỹ thuật và hiện tượng vật lý. Tầm quan trọng thực tế của chúng là rất lớn trong việc chế tạo máy bay, đóng tàu, xây dựng các khu dân cư phức hợp, kỹ thuật điện, điện tử vô tuyến, y học và khoa học cơ bản. Một ví dụ về một quá trình dao động điển hình trongsinh lý học ủng hộ sự chuyển động của cơ tim. Rung động cơ học được tìm thấy trong hóa học hữu cơ và vô cơ, khí tượng học và nhiều ngành khoa học tự nhiên khác.
Những nghiên cứu đầu tiên về con lắc toán học được thực hiện vào thế kỷ XVII, và đến cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã có thể thiết lập bản chất của dao động điện từ. Nhà khoa học người Nga Alexander Popov, người được coi là "cha đẻ" của truyền thông vô tuyến, đã tiến hành các thí nghiệm của mình một cách chính xác trên cơ sở lý thuyết dao động điện từ, kết quả nghiên cứu của Thomson, Huygens và Rayleigh. Anh ấy đã tìm ra một ứng dụng thực tế cho dao động điện từ, sử dụng chúng để truyền tín hiệu vô tuyến trên một khoảng cách xa.
Viện sĩ P. N. Lebedev trong nhiều năm đã tiến hành các thí nghiệm liên quan đến việc tạo ra dao động điện từ tần số cao bằng cách sử dụng điện trường xoay chiều. Nhờ nhiều thí nghiệm liên quan đến các loại rung động khác nhau, các nhà khoa học đã tìm ra những khu vực sử dụng chúng tối ưu trong khoa học và công nghệ hiện đại.
