Getaran alami adalah proses yang dicirikan oleh pengulangan tertentu. Misalnya gerakan bandul jam, senar gitar, kaki garpu tala, aktivitas jantung.
Getaran mekanis
Dengan mempertimbangkan sifat fisik, osilasi alami dapat berupa mekanik, elektromagnetik, elektromekanis. Mari kita lihat lebih dekat proses pertama. Getaran alami terjadi dalam kasus di mana tidak ada gesekan tambahan, tidak ada gaya eksternal. Pergerakan seperti itu dicirikan oleh ketergantungan frekuensi hanya pada karakteristik sistem yang diberikan.
Proses Harmonik
Getaran alami ini menyiratkan perubahan besaran getaran menurut hukum kosinus (sinus). Mari kita menganalisis bentuk paling sederhana dari sistem osilasi, yang terdiri dari bola yang digantung pada pegas.
Dalam hal ini, gravitasi menyeimbangkan elastisitas pegas. Menurut hukum Hooke, ada hubungan langsung antara perpanjangan pegas dan gaya yang diberikan pada benda.
Sifat gaya elastis
Osilasi elektromagnetik sendiri di sirkuit terkait dengan besarnya dampak pada sistem. Gaya elastis, yang sebanding dengan perpindahan bola dari posisi setimbang, diarahkan ke keadaan setimbang. Pergerakan bola di bawah pengaruhnya dapat dijelaskan oleh hukum kosinus.
Periode osilasi alami akan ditentukan secara matematis.
Dalam kasus pendulum pegas, ketergantungan pada kekakuannya, serta pada massa beban, terungkap. Periode osilasi alami dalam hal ini dapat dihitung dengan rumus.
Energi pada getaran harmonik
Nilainya konstan jika tidak ada gaya gesekan.
Saat gerakan osilasi terjadi, terjadi transformasi periodik energi kinetik menjadi nilai potensial.
osilasi teredam
Osilasi elektromagnetik sendiri dapat terjadi jika sistem tidak terpengaruh oleh gaya luar. Gesekan berkontribusi pada redaman osilasi, penurunan amplitudonya diamati.
Frekuensi osilasi alami dalam rangkaian osilasi terkait dengan sifat sistem, serta intensitas kerugian.
Dengan peningkatan koefisien atenuasi, peningkatan periode gerak osilasi diamati.
Perbandingan amplitudo yang dipisahkan oleh interval yang sama dengan satu periode adalah konstannilai selama proses. Rasio ini disebut penurunan redaman.
Getaran alami pada rangkaian osilasi dijelaskan oleh hukum sinus (cosinus).
Periode osilasi adalah besaran imajiner. Gerakannya aperiodik. Sistem, yang dipindahkan dari posisi kesetimbangan tanpa osilasi tambahan, kembali ke keadaan semula. Metode membawa sistem ke keadaan setimbang ditentukan oleh kondisi awalnya.
Resonansi
Periode osilasi alami rangkaian ditentukan oleh hukum harmonik. Osilasi paksa muncul dalam sistem di bawah aksi gaya yang berubah secara berkala. Saat menyusun persamaan gerak, diperhitungkan bahwa selain efek gaya, ada juga gaya yang bekerja selama getaran bebas: hambatan medium, gaya kuasi-elastis.
Resonansi adalah peningkatan tajam dalam amplitudo osilasi paksa ketika frekuensi gaya penggerak cenderung ke frekuensi alami benda. Semua getaran yang terjadi dalam hal ini disebut resonansi.
Untuk mengungkapkan hubungan antara amplitudo dan gaya eksternal untuk osilasi paksa, Anda dapat menggunakan pengaturan eksperimental. Saat pegangan engkol diputar perlahan, beban pada pegas bergerak naik turun sama dengan titik suspensinya.
Osilasi elektromagnetik sendiri di sirkuit osilasi dapat dihitung dan parameter fisik lainnyasistem.
Dalam kasus rotasi yang lebih cepat, osilasi meningkat, dan ketika frekuensi rotasi sama dengan frekuensi alami, nilai amplitudo maksimum tercapai. Dengan peningkatan berikutnya dalam frekuensi rotasi, amplitudo osilasi paksa dari beban yang dianalisis berkurang lagi.
Karakteristik resonansi
Dengan sedikit gerakan pegangan, beban hampir tidak berubah posisinya. Alasannya adalah inersia pendulum pegas, yang tidak mengikuti gaya eksternal, jadi hanya "jitter di tempat" yang diamati.
Frekuensi alami osilasi dalam rangkaian akan sesuai dengan peningkatan tajam dalam amplitudo frekuensi aksi eksternal.
Grafik fenomena semacam itu disebut kurva resonansi. Ini juga dapat dipertimbangkan untuk pendulum filamen. Jika Anda menggantung bola besar di rel, serta sejumlah bandul ringan dengan panjang benang yang berbeda.
Masing-masing bandul memiliki frekuensi osilasi sendiri, yang dapat ditentukan berdasarkan percepatan jatuh bebas, panjang utas.
Jika bola dikeluarkan dari keseimbangan, meninggalkan bandul ringan tanpa gerakan, kemudian dilepaskan, ayunannya akan menyebabkan rel menekuk secara berkala. Ini akan menyebabkan efek gaya elastis yang berubah secara berkala pada bandul ringan, menyebabkan mereka melakukan osilasi paksa. Secara bertahap, semuanya akan memiliki amplitudo yang sama, yang akan menjadi resonansi.
Fenomena ini juga dapat dilihat untuk metronom, yang dasarnya terhubungbenang dengan sumbu bandul. Dalam hal ini, ia akan berayun dengan amplitudo maksimum, maka frekuensi pendulum "menarik" tali sesuai dengan frekuensi osilasi bebasnya.
Resonansi terjadi ketika gaya eksternal, yang bekerja dalam waktu dengan getaran bebas, bekerja dengan nilai positif. Hal ini menyebabkan peningkatan amplitudo gerakan osilasi.
Selain berdampak positif, fenomena resonansi sering juga memiliki fungsi negatif. Misalnya, jika lidah bel berayun, penting untuk menghasilkan suara agar tali bekerja pada waktunya dengan gerakan lidah yang berosilasi bebas.
Aplikasi resonansi
Pengoperasian pengukur frekuensi buluh didasarkan pada resonansi. Perangkat disajikan dalam bentuk pelat elastis dengan panjang berbeda, dipasang pada satu alas yang sama.
Jika pengukur frekuensi bersentuhan dengan sistem osilasi yang diperlukan untuk menentukan frekuensi, pelat tersebut, yang frekuensinya sama dengan yang diukur, akan berosilasi dengan amplitudo maksimum. Setelah memasukkan platinum ke dalam resonansi, Anda dapat menghitung frekuensi sistem osilasi.
Pada abad kedelapan belas, tidak jauh dari kota Angers di Prancis, sebuah detasemen tentara bergerak di sepanjang jembatan rantai, yang panjangnya 102 meter. Frekuensi langkah mereka mengambil nilai yang sama dengan frekuensi getaran bebas jembatan, yang menyebabkan resonansi. Hal ini menyebabkan rantai putus, jembatan gantung runtuh.
Pada tahun 1906, untuk alasan yang sama, jembatan Mesir di St. Petersburg dihancurkan, di mana satu skuadron kavaleri bergerak. Untuk menghindari fenomena yang tidak menyenangkan seperti itu, sekarang denganmenyeberangi jembatan, unit militer bergerak dengan bebas.
Fenomena elektromagnetik
Mereka adalah fluktuasi medan magnet dan listrik yang saling berhubungan.
Osilasi elektromagnetik sendiri dalam rangkaian terjadi ketika sistem diambil dari keseimbangan, misalnya, ketika muatan diberikan ke kapasitor, perubahan besaran arus dalam rangkaian.
Osilasi elektromagnetik muncul di sirkuit listrik yang berbeda. Dalam hal ini, gerakan osilasi dilakukan oleh kuat arus, tegangan, muatan, kuat medan listrik, induksi magnet, dan besaran elektrodinamika lainnya.
Mereka dapat dianggap sebagai osilasi teredam, karena energi yang diberikan ke sistem menjadi panas.
Karena osilasi elektromagnetik paksa adalah proses dalam rangkaian, yang disebabkan oleh gaya gerak listrik sinusoidal eksternal yang berubah secara berkala.
Proses tersebut dijelaskan oleh hukum yang sama seperti dalam kasus getaran mekanis, tetapi mereka memiliki sifat fisik yang sama sekali berbeda. Fenomena listrik adalah kasus khusus dari proses elektromagnetik dengan daya, tegangan, arus bolak-balik.
Rangkaian osilasi
Ini adalah rangkaian listrik yang terdiri dari induktor yang dihubungkan secara seri, kapasitor dengan kapasitansi tertentu, resistor resistansi.
Saat rangkaian osilasi berada dalam keadaan setimbang yang stabil, kapasitor tidak bermuatan, dan tidak ada arus listrik yang mengalir melalui kumparan.
Di antara fitur utamaosilasi elektromagnetik mencatat frekuensi siklik, yang merupakan turunan kedua dari muatan terhadap waktu. Fase osilasi elektromagnetik adalah kuantitas harmonik, dijelaskan oleh hukum sinus (cosinus).
Periode dalam rangkaian osilasi ditentukan oleh rumus Thomson, tergantung pada kapasitansi kapasitor, serta nilai induktansi kumparan dengan arus. Arus dalam rangkaian berubah sesuai dengan hukum sinus, sehingga Anda dapat menentukan pergeseran fasa untuk gelombang elektromagnetik tertentu.
Alternating current
Dalam bingkai yang berputar dengan kecepatan sudut konstan dalam medan magnet seragam dengan nilai induksi tertentu, EMF harmonik ditentukan. Menurut hukum Faraday untuk induksi elektromagnetik, mereka ditentukan oleh perubahan fluks magnet, adalah nilai sinusoidal.
Ketika sumber EMF eksternal terhubung ke rangkaian osilasi, osilasi paksa terjadi di dalamnya, terjadi dengan frekuensi siklik, sama nilainya dengan frekuensi sumber itu sendiri. Mereka adalah gerakan yang tidak teredam, karena ketika muatan dibuat, perbedaan potensial muncul, arus muncul di sirkuit, dan besaran fisik lainnya. Hal ini menyebabkan perubahan harmonik pada tegangan, arus, yang disebut besaran fisis berdenyut.
Nilai 50 Hz diambil sebagai frekuensi industri dari arus bolak-balik. Untuk menghitung jumlah panas yang dilepaskan ketika melewati konduktor arus bolak-balik, nilai daya maksimum tidak digunakan, karena hanya dicapai dalam periode waktu tertentu. Untuk tujuan tersebut, terapkandaya rata-rata, yang merupakan rasio semua energi yang melewati rangkaian selama periode yang dianalisis, dengan nilainya.
Nilai arus bolak-balik sesuai dengan konstanta, yang melepaskan jumlah panas yang sama selama periode seperti arus bolak-balik.
Transformer
Ini adalah perangkat yang menaikkan atau menurunkan tegangan tanpa kehilangan energi listrik yang signifikan. Desain ini terdiri dari beberapa pelat di mana dua gulungan dengan gulungan kawat dipasang. Yang primer terhubung ke sumber tegangan bolak-balik, dan yang sekunder dilampirkan ke perangkat yang mengkonsumsi energi listrik. Untuk perangkat semacam itu, rasio transformasi dibedakan. Untuk trafo step-up kurang dari satu, dan untuk trafo step-up cenderung 1.
Osilasi otomatis
Ini disebut sistem yang secara otomatis mengatur pasokan energi dari sumber eksternal. Proses yang terjadi di dalamnya dianggap sebagai tindakan tidak teredam (berosilasi sendiri) berkala. Sistem tersebut termasuk generator tabung interaksi elektromagnetik, bel, jam.
Ada juga kasus di mana benda yang berbeda secara bersamaan berpartisipasi dalam osilasi ke arah yang berbeda.
Jika Anda menambahkan gerakan yang memiliki amplitudo yang sama, Anda bisa mendapatkan osilasi harmonik dengan amplitudo yang lebih besar.
Menurut teorema Fourier, seperangkat sistem osilasi sederhana, di mana proses kompleks dapat diuraikan, dianggap sebagai spektrum harmonik. Ini menunjukkan amplitudo dan frekuensi semua osilasi sederhana yang termasuk dalamsistem seperti itu. Paling sering, spektrum direfleksikan dalam bentuk grafik.
Frekuensi ditandai pada sumbu horizontal, dan amplitudo osilasi tersebut ditunjukkan sepanjang sumbu ordinat.
Setiap gerakan osilasi: mekanik, elektromagnetik, dicirikan oleh kuantitas fisik tertentu.
Pertama-tama, parameter ini meliputi amplitudo, periode, frekuensi. Ada ekspresi matematis untuk setiap parameter, yang memungkinkan Anda melakukan perhitungan, menghitung karakteristik yang diinginkan secara kuantitatif.
