Rung động tự nhiên là quá trình được đặc trưng bởi một độ lặp lại nhất định. Ví dụ, chúng bao gồm chuyển động của quả lắc đồng hồ, dây đàn guitar, chân của âm thoa, hoạt động của tim.
Rung động cơ học
Xét về bản chất vật lý, các dao động tự nhiên có thể là dao động cơ, điện từ, điện cơ. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình đầu tiên. Dao động tự nhiên xảy ra trong trường hợp không có thêm lực ma sát, không có ngoại lực. Các chuyển động như vậy được đặc trưng bởi sự phụ thuộc tần số chỉ vào các đặc tính của hệ thống đã cho.
Quá trình điều hòa
Những dao động tự nhiên này bao hàm sự thay đổi đại lượng dao động theo định luật côsin (sin). Hãy cùng chúng tôi phân tích dạng đơn giản nhất của một hệ dao động, bao gồm một quả cầu được treo trên một lò xo.
Trong trường hợp này, trọng lực cân bằng độ đàn hồi của lò xo. Theo định luật Hooke, có mối quan hệ trực tiếp giữa độ giãn của lò xo và lực tác dụng lên cơ thể.
Tính chất lực đàn hồi
Dao động điện từ riêng trong mạch liên quan đến độ lớn của lực tác động lên hệ. Lực đàn hồi tỉ lệ với độ dời của quả cầu từ vị trí cân bằng hướng về trạng thái cân bằng. Chuyển động của quả bóng dưới ảnh hưởng của nó có thể được mô tả bằng định luật cosin.
Chu kỳ dao động tự nhiên sẽ được xác định bằng toán học.
Trong trường hợp con lắc lò xo, sự phụ thuộc vào độ cứng của nó, cũng như khối lượng của tải, được tiết lộ. Chu kỳ của dao động tự nhiên trong trường hợp này có thể được tính bằng công thức.
Năng lượng ở dao động điều hòa
Giá trị không đổi nếu không có lực ma sát.
Khi dao động xảy ra sự biến đổi tuần hoàn của động năng thành giá trị thế năng.
Dao động tắt dần
Dao động điện từ riêng có thể xảy ra khi hệ không chịu tác dụng của ngoại lực. Ma sát góp phần làm dao động tắt dần, biên độ của chúng giảm.
Tần số của dao động tự nhiên trong mạch dao động liên quan đến các đặc tính của hệ, cũng như cường độ của tổn thất.
Khi tăng hệ số suy giảm, thì chu kỳ của chuyển động dao động cũng tăng lên.
Tỉ số giữa các biên độ cách nhau một khoảng bằng một chu kì là hằng sốgiá trị trong suốt quá trình. Tỷ lệ này được gọi là giảm chấn.
Dao động tự nhiên trong mạch dao động được mô tả theo định luật sin (côsin).
Chu kì dao động là đại lượng tưởng tượng. Chuyển động là không theo chu kỳ. Hệ được đưa ra khỏi vị trí cân bằng mà không có dao động bổ sung sẽ trở lại trạng thái ban đầu. Phương pháp đưa hệ về trạng thái cân bằng được xác định bởi các điều kiện ban đầu của nó.
Cộng hưởng
Chu kỳ dao động tự nhiên của mạch được xác định bởi định luật điều hòa. Dao động cưỡng bức xuất hiện trong hệ dưới tác dụng của một lực biến thiên tuần hoàn. Khi lập phương trình chuyển động, người ta lưu ý rằng ngoài tác dụng cưỡng bức còn có các lực tác dụng trong quá trình dao động tự do: lực cản của môi chất, lực bán đàn hồi.
Cộng hưởng là sự tăng mạnh biên độ của dao động cưỡng bức khi tần số của lực phát động có xu hướng bằng tần số riêng của cơ thể. Tất cả các rung động xảy ra trong trường hợp này được gọi là cộng hưởng.
Để xác định mối quan hệ giữa biên độ và ngoại lực đối với dao động cưỡng bức, bạn có thể sử dụng thiết lập thí nghiệm. Khi tay quay quay chậm, tải trọng trên lò xo sẽ di chuyển lên và xuống tương tự như điểm treo của chúng.
Có thể tính toán dao động điện từ riêng trong mạch dao động và các thông số vật lý kháchệ thống.
Trong trường hợp quay nhanh dần thì dao động tăng dần, khi tần số quay bằng tần số riêng thì biên độ dao động đạt cực đại. Với sự gia tăng tần số quay sau đó, biên độ của dao động cưỡng bức của tải được phân tích lại giảm xuống.
Đặc tính cộng hưởng
Với một chuyển động nhẹ của tay cầm, tải trọng gần như không thay đổi vị trí của nó. Nguyên nhân là do quán tính của con lắc lò xo không theo kịp ngoại lực nên chỉ quan sát thấy hiện tượng “chập chờn tại chỗ”.
Tần số riêng của dao động trong mạch sẽ tương ứng với sự tăng mạnh của biên độ của tần số của tác động bên ngoài.
Đồ thị của hiện tượng như vậy được gọi là đường cong cộng hưởng. Nó cũng có thể được coi là một con lắc dây tóc. Nếu bạn treo một quả cầu lớn trên thanh ray, cũng như một số mặt dây chuyền nhẹ có độ dài sợi khác nhau.
Mỗi con lắc có tần số dao động riêng, tần số dao động này có thể được xác định dựa trên gia tốc rơi tự do, chiều dài của sợi dây.
Nếu quả cầu được đưa ra khỏi trạng thái cân bằng, để con lắc nhẹ không chuyển động, sau đó được thả ra, sự dao động của nó sẽ dẫn đến sự uốn cong tuần hoàn của đường ray. Điều này sẽ gây ra tác dụng của lực đàn hồi biến thiên tuần hoàn lên các con lắc nhẹ, làm cho chúng thực hiện dao động cưỡng bức. Dần dần, tất cả chúng sẽ có biên độ bằng nhau, đó sẽ là sự cộng hưởng.
Hiện tượng này cũng có thể được nhìn thấy đối với một máy đếm nhịp, phần đế của nó được kết nốisợi với trục của con lắc. Trong trường hợp này, nó sẽ dao động với biên độ cực đại, khi đó tần số của con lắc "kéo" sợi dây tương ứng với tần số dao động tự do của nó.
Cộng hưởng xảy ra khi ngoại lực tác dụng cùng lúc với dao động tự do, tác dụng với giá trị dương. Điều này dẫn đến việc tăng biên độ của chuyển động dao động.
Bên cạnh tác động tích cực, hiện tượng cộng hưởng thường thực hiện chức năng tiêu cực. Ví dụ: nếu lưỡi của một chiếc chuông đang đung đưa, điều quan trọng để tạo ra âm thanh là sợi dây hoạt động đúng lúc với chuyển động dao động tự do của lưỡi.
Ứng dụng của cộng hưởng
Hoạt động của máy đo tần số sậy dựa trên sự cộng hưởng. Thiết bị được trình bày dưới dạng các tấm đàn hồi có độ dài khác nhau, được cố định trên một đế chung.
Trong trường hợp máy đo tần số tiếp xúc với hệ dao động cần xác định tần số thì bản dao động có tần số bằng tần số đo được sẽ dao động với biên độ cực đại. Sau khi đưa bạch kim vào cộng hưởng, bạn có thể tính tần số của hệ dao động.
Vào thế kỷ thứ mười tám, không xa thành phố Angers của Pháp, một đội binh lính đã tiến từng bước dọc theo một cây cầu dây xích, chiều dài của cây cầu là 102 mét. Tần số bước của chúng có giá trị bằng tần số dao động tự do của cầu thì gây ra hiện tượng cộng hưởng. Điều này khiến dây xích bị đứt, cầu treo bị sập.
Năm 1906, vì lý do tương tự, cây cầu Ai Cập ở St. Petersburg đã bị phá hủy, cùng với đó là một đội kỵ binh di chuyển. Để tránh những hiện tượng khó chịu đó, bây giờ vớiqua cầu, các đơn vị quân đội đi với tốc độ tự do.
Hiện tượng điện từ
Chúng là những dao động liên kết của từ trường và điện trường.
Dao động điện từ riêng trong mạch xảy ra khi hệ mất trạng thái cân bằng, chẳng hạn khi truyền điện tích vào tụ điện, cường độ dòng điện trong mạch thay đổi.
Dao động điện từ xuất hiện trong các mạch điện khác nhau. Trong trường hợp này, chuyển động dao động được thực hiện bởi cường độ dòng điện, điện áp, điện tích, cường độ điện trường, cảm ứng từ và các đại lượng điện động khác.
Chúng có thể được coi là dao động tắt dần, vì năng lượng truyền cho hệ thống sẽ chuyển thành nhiệt.
Vì dao động điện từ cưỡng bức là quá trình trong mạch gây ra bởi suất điện động ngoài hình sin thay đổi tuần hoàn.
Các quá trình như vậy được mô tả bởi các định luật tương tự như trong trường hợp dao động cơ học, nhưng chúng có bản chất vật lý hoàn toàn khác. Hiện tượng điện là một trường hợp đặc biệt của quá trình điện từ với nguồn điện, hiệu điện thế, dòng điện xoay chiều.
Mạch dao động
Là mạch điện gồm cuộn cảm mắc nối tiếp, tụ điện có điện dung nhất định, biến trở có điện trở.
Khi mạch dao động ở trạng thái cân bằng ổn định, tụ điện không có điện tích và không có dòng điện chạy qua cuộn dây.
Trong số các tính năng chínhdao động điện từ có tần số tuần hoàn, là đạo hàm bậc hai của điện tích theo thời gian. Pha của dao động điện từ là một đại lượng điều hòa, được mô tả bằng định luật sin (côsin).
Chu kỳ trong mạch dao động được xác định theo công thức Thomson, phụ thuộc vào điện dung của tụ điện, cũng như giá trị của độ tự cảm của cuộn dây với dòng điện. Dòng điện trong mạch thay đổi theo định luật sin, vì vậy bạn có thể xác định độ lệch pha của một sóng điện từ nhất định.
Dòng điện xoay chiều
Trong một khung quay với vận tốc góc không đổi trong từ trường đều với một giá trị cảm ứng nhất định, EMF điều hòa được xác định. Theo định luật Faraday đối với cảm ứng điện từ, chúng được xác định bởi sự thay đổi của từ thông, là một giá trị hình sin.
Khi một nguồn EMF bên ngoài được nối với mạch dao động, bên trong nó xảy ra dao động cưỡng bức, xảy ra với tần số tuần hoàn ώ, có giá trị bằng tần số của chính nguồn đó. Chúng là những chuyển động không có dấu, vì khi một điện tích được tạo ra, một hiệu điện thế xuất hiện, một dòng điện phát sinh trong mạch và các đại lượng vật lý khác. Điều này gây ra sự thay đổi hài hòa trong điện áp, dòng điện, được gọi là các đại lượng vật lý tạo xung.
Giá trị 50 Hz được lấy làm tần số công nghiệp của dòng điện xoay chiều. Để tính nhiệt lượng tỏa ra khi đi qua dây dẫn dòng điện xoay chiều, không sử dụng giá trị công suất lớn nhất / u200b / u200bởi vì nhiệt lượng này chỉ đạt được trong một khoảng thời gian nhất định. Đối với các mục đích như vậy, hãy áp dụngcông suất trung bình, là tỷ số của tất cả năng lượng truyền qua mạch trong khoảng thời gian được phân tích, với giá trị của nó.
Giá trị của dòng điện xoay chiều tương ứng với hằng số, nhiệt lượng này tỏa ra cùng thời kỳ với nhiệt lượng của dòng điện xoay chiều.
Biến áp
Đây là thiết bị làm tăng hoặc giảm điện áp mà không làm thất thoát năng lượng điện đáng kể. Thiết kế này bao gồm một số tấm trên đó cố định hai cuộn dây với các cuộn dây. Cuộn sơ cấp được nối với nguồn điện áp xoay chiều, còn cuộn thứ cấp được mắc vào các thiết bị tiêu thụ năng lượng điện. Đối với một thiết bị như vậy, một tỷ lệ biến đổi được phân biệt. Đối với máy biến áp nâng cấp, nó nhỏ hơn một và đối với máy biến áp nâng cấp, nó có xu hướng là 1.
Dao động tự động
Đây được gọi là các hệ thống tự động điều chỉnh việc cung cấp năng lượng từ nguồn bên ngoài. Các quá trình diễn ra trong chúng được coi là các hành động không lấy dấu (tự dao động) tuần hoàn. Các hệ thống như vậy bao gồm một máy phát tương tác điện từ dạng ống, chuông, đồng hồ.
Cũng có trường hợp các vật thể khác nhau đồng thời tham gia dao động theo các hướng khác nhau.
Nếu cộng các chuyển động có biên độ bằng nhau như vậy thì ta được dao động điều hòa với biên độ lớn hơn.
Theo định lý Fourier, một tập hợp các hệ dao động đơn giản, trong đó một quá trình phức tạp có thể bị phân hủy, được coi là một phổ điều hòa. Nó chỉ ra biên độ và tần số của tất cả các dao động đơn giản có trongmột hệ thống như vậy. Thông thường, quang phổ được phản ánh dưới dạng đồ thị.
Tần số được đánh dấu trên trục hoành và biên độ của các dao động như vậy được hiển thị dọc theo trục tọa độ.
Bất kỳ chuyển động dao động nào: cơ học, điện từ, đều được đặc trưng bởi các đại lượng vật lý nhất định.
Trước hết, các thông số này bao gồm biên độ, chu kỳ, tần số. Có các biểu thức toán học cho mỗi tham số, cho phép bạn thực hiện các phép tính, tính toán định lượng các đặc tính mong muốn.
