Физикада белгілі бір параметрлермен сипатталатын тербелістердің әртүрлі түрлері бар. Олардың негізгі айырмашылықтарын, әртүрлі факторларға байланысты жіктеуді қарастырыңыз.
Негізгі анықтамалар
Тербелісте деп тұрақты аралықтарда қозғалыстың негізгі сипаттамалары бірдей мәндерге ие болатын процесс түсіндіріледі.
Периодтық тербелістер – бұл негізгі шамалардың мәндері тұрақты аралықпен қайталанатын тербеліс (тербеліс кезеңі).
Тербелмелі процестердің түрлері
Фундаментальды физикада бар тербелістердің негізгі түрлерін қарастырайық.
Еркін тербеліс – бастапқы соққыдан кейін сыртқы айнымалы әсерлерге ұшырамайтын жүйеде пайда болатын тербеліс.
Еркін тербелістің мысалы математикалық маятник болып табылады.
Сыртқы айнымалы күш әсерінен жүйеде пайда болатын механикалық тербеліс түрлері.
Жіктеу ерекшеліктері
Физикалық табиғаты бойынша тербелмелі қозғалыстардың келесі түрлері бөлінеді:
- механикалық;
- жылу;
- электромагниттік;
- аралас.
Қоршаған ортамен әрекеттесу опциясына сәйкес
Қоршаған ортамен әрекеттесудегі ауытқу түрлері бірнеше топқа бөлінеді.
Жүйеде сыртқы мерзімді әрекеттің әсерінен мәжбүрлі тербелістер пайда болады. Мұндай тербелістің мысалы ретінде ағаштардағы қолдардың, жапырақтардың қозғалысын қарастыруға болады.
Мәжбүрлі гармоникалық тербелістер үшін сыртқы әсер мен осциллятор жиілігінің бірдей мәндерімен амплитудасының күрт жоғарылауымен резонанс пайда болуы мүмкін.
Жүйе тепе-теңдіктен шығарылғаннан кейін ішкі күштердің әсерінен жүйедегі меншікті тербеліс. Еркін тербелістердің ең қарапайым нұсқасы – жіпке ілінген немесе серіппеге бекітілген жүктің қозғалысы.
Өздігінен тербеліс – жүйеде тербеліс жасауға жұмсалатын потенциалдық энергияның белгілі бір мөлшері болатын түрлер. Олардың айрықша ерекшелігі - амплитуданың бастапқы шарттармен емес, жүйенің өзінің қасиеттерімен сипатталатындығы.
Кездейсоқ ауытқулар үшін сыртқы жүктеменің кездейсоқ мәні болады.
Тербелмелі қозғалыстардың негізгі параметрлері
Дірілдің барлық режимдерінің бөлек айтылуы тиіс белгілі бір сипаттамалары бар.
Амплитуда – тепе-теңдік күйінен максималды ауытқу, өзгермелі шаманың ауытқуы, ол метрмен өлшенеді.
Кезең – бір рет толып кету уақытыЖүйе сипаттамаларын қайталайтын секундпен есептеледі.
Жиілік уақыт бірлігіндегі тербеліс санымен анықталады, ол тербеліс периодына кері пропорционал.
Тербеліс фазасы жүйенің күйін сипаттайды.
Гармоникалық тербелістердің сипаттамасы
Тербелістердің мұндай түрлері косинус немесе синус заңына сәйкес болады. Фурье белгілі бір функцияны Фурье қатарына кеңейту арқылы кез келген периодтық тербелісті гармоникалық өзгерістердің қосындысы ретінде көрсетуге болатынын анықтай алды.
Мысал ретінде белгілі бір периоды және циклдік жиілігі бар маятникті қарастырайық.
Бұл тербеліс түрлерін не сипаттайды? Физика математикалық маятникті салмақсыз созылмайтын жіпке ілінген, ауырлық күшінің әсерінен тербелетін материалдық нүктеден тұратын идеалдандырылған жүйе деп санайды.
Дірілдердің мұндай түрлерінің белгілі бір энергиясы бар, олар табиғатта және технологияда жиі кездеседі.
Ұзақ тербелмелі қозғалыс кезінде оның масса центрінің координатасы өзгереді, ал айнымалы токпен тізбектегі ток пен кернеудің мәні өзгереді.
Физикалық табиғаты бойынша гармоникалық тербелістердің әртүрлі түрлері бар: электромагниттік, механикалық және т.б.
Кедір-бұдыр жолда қозғалатын көліктің шайқауы мәжбүрлі тербеліс ретінде әрекет етеді.
Мәжбүрлі және еркін арасындағы негізгі айырмашылықтарауытқулар
Электромагниттік тербелістердің бұл түрлері физикалық сипаттамалары бойынша ерекшеленеді. Орташа қарсылық пен үйкеліс күштерінің болуы еркін тербелістерді сөндіруге әкеледі. Мәжбүрлі тербелістер жағдайында энергия шығындары оны сыртқы көзден қосымша беру арқылы өтеледі.
Серіппелі маятниктің периоды дененің массасына және серіппенің қаттылығына байланысты. Математикалық маятник жағдайында ол жіптің ұзындығына байланысты.
Белгілі кезеңмен тербелмелі жүйенің табиғи жиілігін есептей аласыз.
Технологияда және табиғатта әртүрлі жиілік мәндері бар ауытқулар болады. Мысалы, Санкт-Петербургтегі Исаак соборында тербелетін маятниктің жиілігі 0,05 Гц болса, атомдар үшін бұл бірнеше миллион мегагерц.
Белгілі бір уақыттан кейін еркін тербелістердің сөнуі байқалады. Нақты тәжірибеде еріксіз тербелістерді қолданады. Олар әртүрлі вибрациялық машиналарда сұранысқа ие. Діріл балғасы - бұл құбырларды, қадаларды және басқа металл құрылымдарды жерге айдауға арналған соққы-діріл машина.
Электромагниттік тербелістер
Тербеліс режимдерін сипаттау негізгі физикалық параметрлерді талдауды қамтиды: заряд, кернеу, ток күші. Электромагниттік тербелістерді бақылау үшін қолданылатын элементар жүйе ретінде тербелмелі контур болып табылады. Ол катушкалар мен конденсаторды тізбектей қосу арқылы жасалады.
Тізбек жабылған кезде, бос электромагниттікконденсатордағы электр зарядының және катушкадағы токтың мерзімді өзгеруіне байланысты ауытқулар.
Олар бос, себебі олар орындалған кезде сыртқы әсер болмайды, тек контурда сақталған энергия ғана пайдаланылады.
Егер катушка кедергісін нөлге тең деп есептеп, тербеліс периодын Т деп алсақ, жүйе жасаған бір толық тербелісті қарастыруға болады.
Сыртқы әсер болмаған жағдайда, белгілі бір уақыттан кейін электромагниттік тербелістің сөнуі байқалады. Бұл құбылыстың себебі конденсатордың бірте-бірте разрядталуы, сондай-ақ катушкадағы қарсылық болады.
Сондықтан нақты контурда сөнген тербелістер пайда болады. Конденсатордағы зарядты азайту оның бастапқы мәнімен салыстырғанда энергия құнының төмендеуіне әкеледі. Ол бірте-бірте қосылатын сымдар мен катушкалардағы жылу ретінде шығарылады, конденсатор толығымен зарядсызданады және электромагниттік тербеліс аяқталады.
Ғылым мен техникадағы ауытқулардың маңыздылығы
Қайталанудың белгілі бір дәрежесі бар кез келген қозғалыс тербеліс болып табылады. Мысалы, математикалық маятник бастапқы тік күйінен екі бағытта да жүйелі ауытқумен сипатталады.
Серіппелі маятник үшін бір толық бұрылыс оның бастапқы күйінен жоғары және төмен қозғалысына сәйкес келеді.
Сыйымдылығы мен индуктивтілігі бар электр тізбегінде зарядтың қайталануы бар.конденсатор тақталары. Тербелмелі қозғалыстардың себебі неде? Маятник ауырлық күші оны бастапқы орнына қайтаратынына байланысты жұмыс істейді. Серіппелі модель жағдайында ұқсас функция серіппенің серпімді күшімен орындалады. Тепе-теңдік күйінен өткен жүк белгілі бір жылдамдыққа ие болады, сондықтан инерция бойынша орташа күйден өтеді.
Электрлік тербелістерді зарядталған конденсатордың пластиналарының арасындағы потенциалдар айырымы арқылы түсіндіруге болады. Толық зарядсызданған кезде де ток жоғалмайды, қайта зарядталады.
Заманауи технология табиғатында, қайталану дәрежесінде, сипатында, сондай-ақ пайда болу «механизмінде» айтарлықтай ерекшеленетін тербелістерді пайдаланады.
Механикалық тербеліс музыкалық аспаптардың ішектері, теңіз толқындары, маятник арқылы жасалады. Әрекеттесуші заттардың концентрациясының өзгеруіне байланысты химиялық тербелістер әртүрлі әрекеттесулерді жүргізу кезінде есепке алынады.
Электромагниттік тербеліс телефондар, ультрадыбыстық медициналық құрылғылар сияқты әртүрлі техникалық құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді.
Цефеидтердің жарықтығының ауытқуы астрофизикада ерекше қызығушылық тудырады және оларды әртүрлі елдердің ғалымдары зерттеп жатыр.
Қорытынды
Тербелістердің барлық түрлері техникалық процестер мен физикалық құбылыстардың үлкен санымен тығыз байланысты. Олардың практикалық маңызы авиация, кеме жасау, тұрғын үй кешендерін салу, электротехника, радиоэлектроника, медицина, іргелі ғылымда үлкен. Типтік тербелмелі процестің мысалыфизиология жүрек бұлшықетінің қозғалысын қолдайды. Механикалық тербеліс органикалық және бейорганикалық химияда, метеорологияда және көптеген басқа жаратылыстану ғылымдарында кездеседі.
Математикалық маятниктің алғашқы зерттеулері XVII ғасырда жүргізілді, ал ХІХ ғасырдың аяғында ғалымдар электромагниттік тербелістердің табиғатын анықтай алды. Радиобайланыстың «әкесі» саналатын орыс ғалымы Александр Попов өз тәжірибелерін дәл электромагниттік тербеліс теориясы, Томсон, Гюйгенс, Рэйлей зерттеулерінің нәтижелері негізінде жүргізді. Ол электромагниттік тербелістердің практикалық қолданылуын тауып, оларды радиосигналдарды ұзақ қашықтыққа жіберу үшін пайдалана алды.
Академик П. Н. Лебедев көп жылдар бойы айнымалы электр өрістерін пайдаланып жоғары жиілікті электромагниттік тербелістерді алуға байланысты тәжірибелер жүргізді. Тербелістердің әртүрлі түрлеріне қатысты көптеген эксперименттердің арқасында ғалымдар оларды заманауи ғылым мен технологияда оңтайлы пайдалану аймақтарын таба алды.
