Күнделікті өмірде адам үнемі тербелмелі қозғалыс көріністерімен кездеседі. Бұл сағаттағы маятниктің тербелісі, автомобиль серіппелерінің және бүкіл автомобильдің тербелісі. Тіпті жер сілкінісі де жер қыртысының тербелісінен басқа ештеңе емес. Көпқабатты үйлер де қатты желден тербеледі. Физика бұл құбылысты қалай түсіндіретінін анықтауға тырысайық.
Маятник тербелмелі жүйе ретінде
Тербелмелі қозғалыстың ең айқын мысалы қабырға сағатының маятникі болып табылады. Маятниктің сол жақтағы ең биік нүктеден оң жақтағы ең биік нүктеге өтуі оның толық айналуы деп аталады. Осындай бір толық тербелістің периоды периметр деп аталады. Тербеліс жиілігі секундына тербеліс саны болып табылады.
Тербелістерді зерттеу үшін жіпке кішкене металл шарды ілу арқылы жасалған қарапайым жіп маятнигі қолданылады. Егер біз допты материалдық нүкте деп елестетсек, ал жіптің абсолютті массасы жоқикемділік пен үйкелістің болмауына байланысты сіз математикалық маятник деп аталатын теориялық аласыз.
Мұндай «идеалды» маятниктің тербеліс периодын мына формула арқылы есептеуге болады:
T=2π √ л / г, мұндағы l – маятниктің ұзындығы, g – еркін түсу үдеуі.
Формула маятниктің тербеліс периоды оның массасына тәуелді еместігін және тепе-теңдік күйінен ауытқу бұрышын есепке алмайтынын көрсетеді.
Энергияны түрлендіру
Егер үйкеліс пен қарсылық күштері болмаса, белгілі бір периодпен тіпті шексіздікке дейін қайталанатын маятник қозғалыстарының механизмі қандай, оны жеңу үшін белгілі бір жұмыс қажет?
Маятник оған берілген энергияның әсерінен тербеле бастайды. Қазіргі уақытта маятник тік күйден алынған, біз оған белгілі бір потенциалдық энергияны береміз. Маятник өзінің жоғарғы нүктесінен бастапқы орнына ауысқанда потенциалдық энергия кинетикалық энергияға айналады. Бұл жағдайда маятниктің жылдамдығы ең үлкен болады, өйткені үдеу беретін күш азаяды. Бастапқы күйде маятниктің жылдамдығы ең үлкен болғандықтан, ол тоқтамайды, бірақ инерция арқылы шеңбер доғасы бойымен ол төмендеген биіктікке дәл сол биіктікке дейін жылжиды. Тербелмелі қозғалыс кезінде энергия потенциалдан кинетикаға осылайша түрленеді.
Маятниктің биіктігі оның түсу биіктігіне тең. Галилео кейінірек оның атымен аталған маятникпен тәжірибе жасау кезінде осындай қорытындыға келді.
Маятниктің тербелісі энергияның сақталу заңының даусыз мысалы болып табылады. Және олар гармоникалық тербелістер деп аталады.
Синус толқыны және фаза
Гармоникалық тербелмелі қозғалыс дегеніміз не. Мұндай қозғалыстың принципін көру үшін келесі тәжірибені жүргізуге болады. Біз арқанға құм салынған шұңқырды іліп қоямыз. Оның астына біз шұңқырдың ауытқуларына перпендикуляр жылжытуға болатын қағаз парағын саламыз. Шұңқырды қозғалысқа келтіріп, қағазды ауыстырамыз.
Нәтиже құмда жазылған толқынды сызық - синусоид. Синус заңына сәйкес болатын бұл тербелістер синусоидалы немесе гармоникалық деп аталады. Мұндай ауытқулар кезінде қозғалысты сипаттайтын кез келген шама синус немесе косинус заңына сәйкес өзгереді.
Картонда пайда болған синусоидты зерттей отырып, құмның әртүрлі қалыңдықтағы әртүрлі бөліктеріндегі құм қабаты екенін атап өтуге болады: синусоидтың жоғарғы жағында немесе шұңқырында ол ең тығыз үйілген. Бұл осы нүктелердегі маятниктің жылдамдығы ең аз, дәлірек айтқанда, маятник өз қозғалысын өзгерткен нүктелердегі нөлге тең болғанын көрсетеді.
Фаза түсінігі тербелістерді зерттеуде үлкен рөл атқарады. Орыс тіліне аударғанда бұл сөз «көрініс» дегенді білдіреді. Физикада фаза – периодты процестің белгілі бір кезеңі, яғни синусоидтағы маятник қазіргі уақытта орналасқан орын.
Қиындықтар жоқ
Егер тербелмелі жүйеге қозғалыс берілсе, содан кейін тоқтатыладыкез келген күштер мен энергиялардың әсері болса, онда мұндай жүйенің тербелістері еркін деп аталады. Өзіне қалдырылған маятниктің тербелістері бірте-бірте әлсірей бастайды, амплитудасы азаяды. Маятниктің қозғалысы тек айнымалы емес (төменгі жағында жылдамырақ және жоғарғы жағында баяу), сонымен қатар біркелкі айнымалы емес.
Гармоникалық тербелісте маятниктің үдеуін беретін күш тепе-теңдік нүктесінен ауытқу шамасы азайған сайын әлсірейді. Күш пен ауытқу қашықтығы арасында пропорционалды байланыс бар. Сондықтан мұндай тербеліс тепе-теңдік нүктесінен ауытқу бұрышы он градустан аспайтын гармоникалық деп аталады.
Мәжбүрлі қозғалыс және резонанс
Тәжірибелік техникада қолдану үшін тербелмелі жүйеге сыртқы күш беретін тербелістердің ыдырауына жол берілмейді. Тербелмелі қозғалыс сыртқы әсерден болса, оны мәжбүрлі деп атайды. Мәжбүрлі тербелістер сыртқы әсер оларды орнатқан жиілікте пайда болады. Әсер ететін сыртқы күштің жиілігі маятниктің табиғи тербеліс жиілігімен сәйкес келуі де, сәйкес келмеуі де мүмкін. Сәйкес келген кезде тербелістердің амплитудасы артады. Мұндай өсудің мысалы ретінде қозғалыс кезінде оларға үдеу беріп, олардың өз қозғалысының ырғағын соқтырсаңыз, жоғары көтерілетін тербеліс жатады.
Физикадағы бұл құбылыс резонанс деп аталады және практикалық қолдану үшін үлкен маңызға ие. Мысалы, радиоқабылдағышты қажетті толқынға баптау кезінде ол сәйкес радиостанциямен резонансқа келтіріледі. Резонанстық құбылыстың да теріс салдары бар,ғимараттар мен көпірлердің қирауына алып келеді.
Өзін-өзі қамтамасыз ететін жүйелер
Мәжбүрлі және еркін тербелістерден басқа, өздігінен тербелістер де бар. Олар айнымалы күш емес, тұрақты күш әсер еткенде тербелмелі жүйенің жиілігімен пайда болады. Өздігінен тербелістердің мысалы ретінде сағатты келтіруге болады, онда маятниктің қозғалысы серіппені босату немесе жүктемені төмендету арқылы қамтамасыз етіледі және қамтамасыз етіледі. Скрипка ойнаған кезде ішектердің табиғи тербелісі садақтың әсерінен пайда болатын күшпен сәйкес келеді және белгілі бір тональдық дыбыс пайда болады.
Тербелмелі жүйелер алуан түрлі және оларда болып жатқан процестерді практикалық тәжірибелерде зерттеу қызықты және мазмұнды. Күнделікті өмірде, ғылымда және техникада тербелмелі қозғалысты практикалық қолдану әртүрлі және таптырмас: тербелмелі қозғалыстардан зымыран қозғалтқыштарын өндіруге дейін.
