Ada berbagai jenis osilasi dalam fisika, yang dicirikan oleh parameter tertentu. Pertimbangkan perbedaan utama mereka, klasifikasi menurut faktor yang berbeda.
Definisi dasar
Di bawah fluktuasi berarti proses di mana pada interval reguler karakteristik utama gerakan memiliki nilai yang sama.
osilasi periodik adalah nilai-nilai di mana nilai-nilai besaran dasar berulang secara berkala (periode osilasi).
Varietas proses osilasi
Mari kita perhatikan jenis-jenis utama osilasi yang ada dalam fisika dasar.
Getaran bebas adalah getaran yang terjadi dalam sistem yang tidak terpengaruh oleh variabel eksternal setelah guncangan awal.
Contoh osilasi bebas adalah bandul matematika.
Jenis getaran mekanis yang terjadi dalam sistem di bawah aksi gaya variabel eksternal.
Fitur klasifikasi
Secara fisik, jenis gerakan osilasi berikut dibedakan:
- mekanik;
- termal;
- elektromagnetik;
- campuran.
Sesuai dengan pilihan interaksi dengan lingkungan
Jenis fluktuasi interaksi dengan lingkungan dibagi menjadi beberapa kelompok.
Osilasi paksa muncul dalam sistem di bawah aksi aksi periodik eksternal. Sebagai contoh osilasi semacam ini, kita dapat mempertimbangkan gerakan tangan, daun di pohon.
Untuk osilasi harmonik paksa, resonansi mungkin muncul, di mana, dengan nilai yang sama dari frekuensi pengaruh eksternal dan osilator, dengan peningkatan amplitudo yang tajam.
Getaran sendiri dalam sistem di bawah pengaruh gaya internal setelah dikeluarkan dari kesetimbangan. Varian paling sederhana dari getaran bebas adalah pergerakan beban yang digantungkan pada seutas benang atau dilekatkan pada pegas.
Self-oscillations adalah jenis di mana sistem memiliki sejumlah energi potensial yang digunakan untuk membuat osilasi. Ciri pembedanya adalah kenyataan bahwa amplitudo dicirikan oleh sifat-sifat sistem itu sendiri, dan bukan oleh kondisi awal.
Untuk fluktuasi acak, beban eksternal memiliki nilai acak.
Parameter dasar gerakan osilasi
Semua mode getaran memiliki karakteristik tertentu yang harus disebutkan secara terpisah.
Amplitudo adalah simpangan maksimum dari posisi setimbang, simpangan dari nilai yang berfluktuasi, diukur dalam meter.
Periode adalah waktu satu ayunan penuh, melaluiyang mengulangi karakteristik sistem, dihitung dalam hitungan detik.
Frekuensi ditentukan oleh banyaknya osilasi per satuan waktu, berbanding terbalik dengan periode osilasi.
Fase osilasi mencirikan keadaan sistem.
Karakteristik getaran harmonik
Jenis osilasi seperti itu terjadi menurut hukum kosinus atau sinus. Fourier berhasil menetapkan bahwa setiap osilasi periodik dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari perubahan harmonik dengan memperluas fungsi tertentu menjadi deret Fourier.
Sebagai contoh, perhatikan sebuah bandul dengan periode dan frekuensi siklik tertentu.
Apa yang menjadi ciri jenis fluktuasi ini? Fisika menganggap pendulum matematika sebagai sistem ideal, yang terdiri dari titik material, yang digantung pada benang tak berbobot yang tidak dapat diperpanjang, berosilasi di bawah pengaruh gravitasi.
Jenis getaran seperti itu memiliki energi dalam jumlah tertentu, mereka umum di alam dan teknologi.
Dengan gerak osilasi yang berkepanjangan, koordinat pusat massanya berubah, dan dengan arus bolak-balik, nilai arus dan tegangan dalam rangkaian berubah.
Ada berbagai jenis osilasi harmonik berdasarkan sifat fisik: elektromagnetik, mekanik, dll.
Goyangan kendaraan yang bergerak di jalan yang kasar bertindak sebagai osilasi paksa.
Perbedaan utama antara paksa dan gratisfluktuasi
Jenis osilasi elektromagnetik ini berbeda dalam karakteristik fisiknya. Adanya hambatan sedang dan gaya gesekan menyebabkan redaman osilasi bebas. Dalam kasus osilasi paksa, kehilangan energi dikompensasikan dengan pasokan tambahan dari sumber eksternal.
Periode bandul pegas berhubungan dengan massa benda dan kekakuan pegas. Dalam kasus pendulum matematika, itu tergantung pada panjang utasnya.
Dengan periode yang diketahui, Anda dapat menghitung frekuensi alami sistem osilasi.
Dalam teknologi dan alam, ada fluktuasi dengan nilai frekuensi yang berbeda. Misalnya, bandul yang berosilasi di Katedral St. Isaac di St. Petersburg memiliki frekuensi 0,05 Hz, sedangkan untuk atom beberapa juta megahertz.
Setelah periode waktu tertentu, redaman osilasi bebas diamati. Itulah mengapa osilasi paksa digunakan dalam praktik nyata. Mereka diminati di berbagai mesin getaran. Vibratory hammer adalah mesin getaran kejut yang dirancang untuk mendorong pipa, tiang pancang, dan struktur logam lainnya ke dalam tanah.
osilasi elektromagnetik
Karakterisasi mode osilasi melibatkan analisis parameter fisik utama: muatan, tegangan, kekuatan arus. Sebagai sistem dasar, yang digunakan untuk mengamati osilasi elektromagnetik, adalah rangkaian osilasi. Ini dibentuk dengan menghubungkan kumparan dan kapasitor secara seri.
Saat sirkuit ditutup, elektromagnetik bebasfluktuasi yang berhubungan dengan perubahan periodik pada muatan listrik pada kapasitor dan arus pada kumparan.
Mereka bebas karena fakta bahwa ketika dilakukan tidak ada pengaruh eksternal, tetapi hanya energi yang tersimpan di sirkuit itu sendiri yang digunakan.
Jika kita menganggap resistansi kumparan nol, dan mengambil periode osilasi sebagai T, kita dapat menganggap satu osilasi lengkap yang dibuat oleh sistem.
Dengan tidak adanya pengaruh eksternal, setelah jangka waktu tertentu, redaman osilasi elektromagnetik diamati. Alasan untuk fenomena ini adalah pelepasan kapasitor secara bertahap, serta resistansi yang sebenarnya dimiliki koil.
Itulah sebabnya osilasi teredam terjadi pada rangkaian nyata. Mengurangi muatan pada kapasitor menyebabkan penurunan nilai energi dibandingkan dengan nilai aslinya. Secara bertahap, itu akan dilepaskan sebagai panas pada kabel penghubung dan koil, kapasitor akan benar-benar habis, dan osilasi elektromagnetik akan selesai.
Pentingnya Fluktuasi Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Setiap gerakan yang memiliki tingkat pengulangan tertentu adalah osilasi. Misalnya, bandul matematis dicirikan oleh penyimpangan sistematis di kedua arah dari posisi vertikal aslinya.
Untuk pendulum pegas, satu ayunan penuh sesuai dengan gerakannya naik turun dari posisi awal.
Dalam rangkaian listrik yang memiliki kapasitansi dan induktansi, terjadi pengulangan muatanpelat kapasitor. Apa penyebab gerakan osilasi? Pendulum berfungsi karena fakta bahwa gravitasi menyebabkannya kembali ke posisi semula. Dalam kasus model pegas, fungsi serupa dilakukan oleh gaya elastis pegas. Melewati posisi kesetimbangan, beban memiliki kecepatan tertentu, oleh karena itu, dengan inersia, ia bergerak melewati keadaan rata-rata.
Getaran listrik dapat dijelaskan dengan perbedaan potensial yang ada antara pelat kapasitor bermuatan. Bahkan ketika benar-benar habis, arus tidak hilang, itu diisi ulang.
Teknologi modern menggunakan fluktuasi yang berbeda secara signifikan dalam sifat, tingkat pengulangan, sifat, dan juga "mekanisme" penampilan.
Getaran mekanis dibuat oleh dawai alat musik, gelombang laut, bandul. Fluktuasi kimia yang terkait dengan perubahan konsentrasi reaktan diperhitungkan saat melakukan berbagai interaksi.
Osilasi elektromagnetik memungkinkan pembuatan berbagai perangkat teknis, seperti telepon, perangkat medis ultrasonik.
Fluktuasi kecerahan Cepheid sangat menarik dalam astrofisika, dan para ilmuwan dari berbagai negara sedang mempelajarinya.
Kesimpulan
Semua jenis osilasi terkait erat dengan sejumlah besar proses teknis dan fenomena fisik. Kepentingan praktis mereka sangat besar dalam konstruksi pesawat terbang, pembuatan kapal, konstruksi kompleks perumahan, teknik elektro, elektronik radio, kedokteran, dan ilmu dasar. Contoh dari proses osilasi khas difisiologi mendukung pergerakan otot jantung. Getaran mekanis ditemukan dalam kimia organik dan anorganik, meteorologi, dan banyak ilmu alam lainnya.
Studi pertama tentang pendulum matematika dilakukan pada abad ketujuh belas, dan pada akhir abad kesembilan belas, para ilmuwan mampu menetapkan sifat osilasi elektromagnetik. Ilmuwan Rusia Alexander Popov, yang dianggap sebagai "bapak" komunikasi radio, melakukan eksperimennya dengan tepat berdasarkan teori osilasi elektromagnetik, hasil penelitian Thomson, Huygens, dan Rayleigh. Dia berhasil menemukan aplikasi praktis untuk osilasi elektromagnetik, menggunakannya untuk mengirimkan sinyal radio jarak jauh.
Akademisi P. N. Lebedev selama bertahun-tahun melakukan eksperimen yang berkaitan dengan produksi osilasi elektromagnetik frekuensi tinggi menggunakan medan listrik bolak-balik. Berkat berbagai eksperimen yang berkaitan dengan berbagai jenis getaran, para ilmuwan telah berhasil menemukan area untuk penggunaan optimalnya dalam sains dan teknologi modern.
