Dalam kehidupan sehari-hari, seseorang terus-menerus menemukan manifestasi gerak osilasi. Ini adalah ayunan pendulum di jam, getaran pegas mobil dan seluruh mobil. Bahkan gempa bumi tidak lain adalah getaran kerak bumi. Bangunan bertingkat tinggi juga bergoyang karena hembusan angin yang kencang. Mari kita coba mencari tahu bagaimana fisika menjelaskan fenomena ini.
Pendulum sebagai sistem osilasi
Contoh paling jelas dari gerak osilasi adalah pendulum jam dinding. Lintasan bandul dari titik tertinggi di sebelah kiri ke titik tertinggi di sebelah kanan disebut ayunan penuh. Periode satu getaran penuh seperti itu disebut keliling. Frekuensi osilasi adalah jumlah osilasi per detik.
Untuk mempelajari osilasi, digunakan pendulum benang sederhana, yang dibuat dengan menggantungkan bola logam kecil pada seutas benang. Jika kita membayangkan bahwa bola adalah titik material, dan benang tidak memiliki massa mutlakfleksibilitas dan kurangnya gesekan, Anda mendapatkan teoretis, yang disebut pendulum matematika.
Periode osilasi bandul "ideal" tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
T=2π l / g, di mana l adalah panjang bandul, g adalah percepatan jatuh bebas.
Rumus tersebut menunjukkan bahwa periode osilasi bandul tidak bergantung pada massanya dan tidak memperhitungkan sudut deviasi dari posisi kesetimbangan.
Transformasi energi
Bagaimana mekanisme gerakan bandul, berulang dengan periode tertentu bahkan hingga tak terhingga, jika tidak ada gaya gesekan dan hambatan, untuk mengatasinya diperlukan kerja tertentu?
Pendulum mulai berosilasi karena energi yang diberikan padanya. Pada saat pendulum diambil dari posisi vertikal, kami memberikan sejumlah energi potensial. Ketika bandul bergerak dari titik puncaknya ke posisi awal, energi potensial diubah menjadi energi kinetik. Dalam hal ini, kecepatan bandul akan menjadi yang terbesar, karena gaya yang memberikan percepatan berkurang. Karena fakta bahwa pada posisi awal, kecepatan pendulum adalah yang terbesar, itu tidak berhenti, tetapi dengan inersia bergerak lebih jauh di sepanjang busur lingkaran ke ketinggian yang persis sama dengan ketinggian dari mana ia turun. Ini adalah bagaimana energi diubah selama gerak osilasi dari potensial ke kinetik.
Tinggi bandul sama dengan tinggi turunnya. Galileo sampai pada kesimpulan ini saat melakukan percobaan dengan bandul, yang kemudian dinamai menurut namanya.
Ayunan bandul adalah contoh hukum kekekalan energi yang tak terbantahkan. Dan itu disebut getaran harmonik.
Gelombang sinus dan fase
Apa yang dimaksud dengan gerak osilasi harmonik. Untuk melihat prinsip gerakan tersebut, Anda dapat melakukan percobaan berikut. Kami menggantung corong dengan pasir di palang. Di bawahnya kami meletakkan selembar kertas, yang dapat digeser tegak lurus terhadap fluktuasi corong. Setelah menggerakkan corong, kami menggeser kertas.
Hasilnya adalah garis bergelombang yang ditulis di pasir - sebuah sinusoidal. Osilasi ini, yang terjadi sesuai dengan hukum sinus, disebut sinusoidal atau harmonik. Dengan fluktuasi seperti itu, setiap kuantitas yang mencirikan gerakan akan berubah sesuai dengan hukum sinus atau kosinus.
Setelah memeriksa sinusoidal yang terbentuk pada karton, dapat dicatat bahwa pasir adalah lapisan pasir di berbagai bagian dengan ketebalan yang berbeda: di bagian atas atau palung sinusoidal, tumpukan paling padat. Ini menunjukkan bahwa pada titik-titik ini kecepatan pendulum adalah yang terkecil, atau lebih tepatnya nol, pada titik-titik di mana pendulum membalikkan gerakannya.
Konsep fase memainkan peran besar dalam studi osilasi. Diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia, kata ini berarti "manifestasi". Dalam fisika, fase adalah tahapan khusus dari proses periodik, yaitu tempat pada sinusoidal tempat bandul berada.
Keraguan berkeliaran
Jika sistem osilasi diberi gerakan dan kemudian dihentikanpengaruh gaya dan energi apa pun, maka osilasi sistem semacam itu akan disebut bebas. Osilasi bandul, yang dibiarkan sendiri, secara bertahap akan mulai memudar, amplitudonya akan berkurang. Pergerakan bandul tidak hanya berubah-ubah (lebih cepat di bagian bawah dan lebih lambat di bagian atas), tetapi juga tidak berubah secara seragam.
Dalam osilasi harmonik, gaya yang memberikan percepatan bandul menjadi lebih lemah dengan penurunan jumlah simpangan dari titik setimbang. Ada hubungan proporsional antara gaya dan jarak defleksi. Oleh karena itu, getaran seperti itu disebut harmonik, di mana sudut deviasi dari titik kesetimbangan tidak melebihi sepuluh derajat.
Gerakan paksa dan resonansi
Untuk aplikasi praktis di bidang teknik, getaran tidak diperbolehkan untuk meluruh, memberikan gaya eksternal ke sistem berosilasi. Jika gerakan osilasi terjadi di bawah pengaruh eksternal, itu disebut paksa. Osilasi paksa terjadi dengan frekuensi yang diatur oleh pengaruh eksternal. Frekuensi gaya eksternal yang bekerja mungkin atau mungkin tidak bertepatan dengan frekuensi osilasi alami pendulum. Ketika bertepatan, amplitudo osilasi meningkat. Contoh peningkatan tersebut adalah ayunan yang meluncur lebih tinggi jika, selama gerakan, Anda memberi mereka akselerasi, memukul ketukan gerakan mereka sendiri.
Fenomena dalam fisika ini disebut resonansi dan sangat penting untuk aplikasi praktis. Misalnya, saat menyetel penerima radio ke gelombang yang diinginkan, gelombang tersebut dibawa ke dalam resonansi dengan stasiun radio yang sesuai. Fenomena resonansi juga memiliki konsekuensi negatif,menyebabkan kehancuran bangunan dan jembatan.
Sistem mandiri
Selain getaran paksa dan getaran bebas, ada juga getaran sendiri. Mereka terjadi dengan frekuensi sistem berosilasi itu sendiri ketika terkena konstan daripada gaya variabel. Contoh osilasi sendiri adalah jam, gerakan pendulum yang disediakan dan dipertahankan dengan melepas pegas atau menurunkan beban. Saat memainkan biola, getaran alami senar bertepatan dengan gaya yang timbul dari pengaruh busur, dan suara dengan nada suara tertentu muncul.
Sistem osilasi beragam, dan studi tentang proses yang terjadi di dalamnya dalam eksperimen praktis menarik dan informatif. Penerapan praktis gerak osilasi dalam kehidupan sehari-hari, ilmu pengetahuan dan teknologi sangat beragam dan sangat diperlukan: dari ayunan ayun hingga produksi mesin roket.
