Презентація "Механічні коливання та хвилі"

Коливаннями або коливальними рухами називають такі види механічного руху чи зміни стану системи, які періодично повторюються в часі, наприклад, механічні коливання тіла на пружині, коливання маятників, коливання струн, вібрації фундаментів будівель, електромагнітні коливання в коливальному контурі. За фізичною природою коливання поділяють на механічні та електромагнітні, за характером коливань - на вільні, вимушені та автоколивання. Хоча коливання досить різноманітні за своєю фізичною природою, але вони мають спільні закономірності й описуються однотипними математичними методами. Механічні коливання - періодичне зміщення тіла то в один, то в другий бік відносно положення рівноваги. Механічна система, в якій одне або декілька тіл можуть здійснювати коливальні рухи, називають коливальною системою.

Коливання, які відбуваються лише під дією внутрішніх сил, називають вільними. Щоб система виконувала ці коливання, треба вивести тіло з положення рівноваги, тобто надати коливальній системі енергію. При цьому рівнодійна всіх сил, що діють на тіло, має бути відмінною від нуля і спрямованою до положення рівноваги, в якому рівнодійна дорівнює нулю. Вільні коливання виникали б, якби не було впливу зовнішніх сил. Цього досягти неможливо, тому вільні коливання це абстракція. Вони з часом стають затухаючими. Виникла потреба в коливаннях під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється, такі коливання називають вимушеними. Ці коливання здійснюють поршні в циліндрах двигунів, голка швацької машини тощо. Ще одним видом незагасальних коливань є автоколивання. Це коливання, які підтримуються внутрішніми джерелами енергії системи, коли не діє зовнішня періодична сила. Наприклад, настінний годинник з маятником або наручний механічний годинник - це механічні автоколивальні системи. Коливання називають періодичними, якщо значення фізичних величин, які змінюються в процесі коливань, повторюються через однакові проміжки часу. Найпростішим прикладом періодичних коливань є гармонічні коливання, під час яких фізична величина змінюється з плином часу за законом x = Asinωt, або x = Acosωt, де x – коливання в момент часу t; А – амплітуда; ω – циклічна частота.

Мінімальний проміжок часу Т, через який повторюється певне значення змінної величини, що характеризує коливальну систему, називають періодом коливань. Або ж простіше: період - це час одного повного коливання. Якщо за час t відбулося N коливань, тоді:      Величину, обернену до періоду коливань Т, називають частотою коливань n :      У теорії коливань часто користуються циклічною частотою (w) - величиною, яка показує скільки коливань здійснює маятник за 2π секунд. У СІ її вимірюють у герцах (Гц). Між частотою і циклічною частотою існує зв'язок: Амплітуда - найбільше відхилення від положення рівноваги. Якщо колива-ння незатухаючі, то амплітуда не змінюється.

Математичним маятником називають матеріальну точку, підвішену на невагомій і нерозтяжній нитці. Це ідеальна коливальна система. Якщо подібний маятник не можна вважати матеріальною точкою або не можна знехтувати вагою тіла і розтягом підвісу, то маятник називають фізичним. Такий маятник коливається подібно до математичного. Період коливань математичного маятника:

Пружинний маятник – коливальна система, яка являє собою тіло,закріплене на пружині. Період коливань пружинного маятника:

Резонанс — явище сильного зростання амплітуди вимушеного коливання у разі, коли частота зовнішньої сили збігається з власною частотою коливань. До явища резонансу вдаються водії й пасажири транспорту, який загруз у снігу чи на мокрій ґрунтовій дорозі. Щоразу коли не очікується швидке прибуття рятівних засобів, вони, розгойдуючи машину, прагнуть прикладати зусилля в такт з власною частотою коливань машини за даних умов, тобто прагнуть ввести коливання машини в резонанс, оскільки амплітуда коливань при цьому буде максимальною.

Хвилі - це розповсюдження коливань в просторі з плином часу. Хвилі можуть мати різну фізичну природу. Пригадаємо, що світло - це електро-магнітна хвиля. Звукові коливання - це коливання частотою від 16Гц до 20000Гц. Звукові хвилі являють собою приклад повздовжньої  хвилі - це така хвиля, в якій частинки коливаються в напрямку поширення хвилі. (наприклад, це звукові хвилі, що розповсюджуються у будь-яких середовищах). Поперечні хвилі - це хвилі, в яких частинки коливаються в напрямку, перпендикулярному до напрямку розповсюдження хвилі(наприклад, хвиля в натягнутому горизонтальному шнурі). Поперечні хвилі можуть розповсюджуватися лише в твердих тілах, а повздовжні - в будь-яких середовищах. Прикладом коливань може слугувати і цвіркіт цвіркуна. У нього на задніх лапках є зубчики, які торкаються країв крилець і при терті об них видають звук.