Табиғи тербеліс – белгілі бір қайталану мүмкіндігімен сипатталатын процестер. Мысалы, оларға сағат маятникінің қозғалысы, гитара ішектері, камертонның аяқтары, жүректің қызметі жатады.
Механикалық тербеліс
Физикалық табиғатты ескере отырып, табиғи тербелістер механикалық, электромагниттік, электромеханикалық болуы мүмкін. Бірінші процесті толығырақ қарастырайық. Табиғи тербелістер қосымша үйкеліс, сыртқы күштер жоқ жағдайларда пайда болады. Мұндай қозғалыстар берілген жүйенің сипаттамаларына ғана жиілік тәуелділігімен сипатталады.
Гармоникалық процестер
Бұл табиғи тербелістер косинус (синус) заңына сәйкес тербелмелі шаманың өзгеруін білдіреді. Серіппеге ілінген шардан тұратын тербелмелі жүйенің қарапайым түрін талдап көрейік.
Бұл жағдайда гравитация серіппенің серпімділігін теңестіреді. Гук заңы бойынша оның серіппенің ұзаруы мен денеге түсіретін күш арасында тікелей байланыс бар.
Серпімділік күшінің қасиеттері
Тізбектегі меншікті электромагниттік тербеліс жүйеге әсер ету шамасына байланысты. Шардың тепе-теңдік күйінен ығысуына пропорционал серпімділік күші тепе-теңдік күйге бағытталған. Оның әсерінен доптың қозғалысын косинус заңымен сипаттауға болады.
Табиғи тербеліс периоды математикалық жолмен анықталады.
Серіппелі маятник жағдайында оның қаттылығына, сондай-ақ жүктің массасына тәуелділігі анықталады. Бұл жағдайда табиғи тербеліс периоды формула бойынша есептелуі мүмкін.
Гармоникалық тербелістегі энергия
Үйкеліс күші болмаса, мән тұрақты болады.
Тербелмелі қозғалыс болған сайын кинетикалық энергияның потенциалдық мәнге периодты түрленуі орын алады.
Бөлдірілген тербелістер
Жүйеге сыртқы күштер әсер етпеген кезде меншікті электромагниттік тербеліс пайда болуы мүмкін. Үйкеліс тербелістердің сөндірілуіне ықпал етеді, олардың амплитудасының төмендеуі байқалады.
Тербелмелі контурдағы табиғи тербелістердің жиілігі жүйенің қасиеттеріне, сондай-ақ жоғалтулардың қарқындылығына байланысты.
Өшу коэффициентінің жоғарылауымен тербелмелі қозғалыс периодының ұлғаюы байқалады.
Бір периодқа тең интервалмен бөлінген амплитудалардың қатынасы тұрақтыбүкіл процесстегі құндылық. Бұл қатынас демпферлік азайту деп аталады.
Тербелмелі контурдағы табиғи тербеліс синустар (косинустар) заңымен сипатталады.
Тербеліс периоды – ойдан шығарылған шама. Қозғалыс кезеңдік. Қосымша тербеліссіз тепе-теңдік күйінен шығарылған жүйе бастапқы күйіне оралады. Жүйені тепе-теңдік күйге келтіру әдісі оның бастапқы шарттарымен анықталады.
Резонанс
Тізбектің табиғи тербеліс периоды гармоникалық заңмен анықталады. Жүйеде периодты түрде өзгеретін күштің әсерінен мәжбүрлі тербелістер пайда болады. Қозғалыс теңдеуін құрастыру кезінде мәжбүрлеуші әсерден басқа еркін тербеліс кезінде әсер ететін күштердің де болатыны ескеріледі: ортаның кедергісі, квазисерпімді күш.
Резонанс – қозғаушы күштің жиілігі дененің табиғи жиілігіне бейім болғанда, еріксіз тербеліс амплитудасының күрт артуы. Бұл жағдайда пайда болатын барлық тербеліс резонанстық деп аталады.
Мәжбүрлі тербелістерге арналған амплитуда мен сыртқы күш арасындағы байланысты анықтау үшін эксперименттік орнатуды пайдалануға болады. Иінді тұтқаны баяу айналдырғанда, серіппедегі жүктеме олардың ілу нүктесіне ұқсас жоғары және төмен жылжиды.
Тербелмелі контурдағы меншікті электромагниттік тербелістерді есептеуге және басқа физикалық параметрлерге боладыжүйе.
Тезірек айналу жағдайында тербелістер артады, ал айналу жиілігі табиғиға тең болғанда, максималды амплитудалық мәнге жетеді. Айналу жиілігінің кейінгі ұлғаюымен талданатын жүктеменің мәжбүрлі тербелістерінің амплитудасы қайтадан төмендейді.
Резонанс сипаттамасы
Тұтқаны аздап жылжытқанда жүк өз орнын өзгертпейді. Оның себебі сыртқы күшке төтеп бере алмайтын серіппелі маятниктің инерциясы, сондықтан тек «орнында дірілдеу» байқалады.
Тізбектегі тербелістердің табиғи жиілігі сыртқы әсер жиілігінің амплитудасының күрт артуына сәйкес болады.
Мұндай құбылыстың графигі резонанс қисығы деп аталады. Оны жіпті маятник үшін де қарастыруға болады. Егер сіз рельске үлкен шарды, сондай-ақ жіп ұзындығы әртүрлі бірнеше жеңіл маятниктерді ілсеңіз.
Осы маятниктердің әрқайсысының өзіндік тербеліс жиілігі бар, оны еркін түсу үдеуіне, жіптің ұзындығына қарай анықтауға болады.
Егер доп жеңіл маятникті қозғалыссыз қалдырып, тепе-теңдіктен шығарылса, содан кейін босатылса, оның тербелісі рельстің мерзімді иілуіне әкеледі. Бұл жеңіл маятниктерге мезгіл-мезгіл өзгеретін серпімділік күшінің әсерін тудырып, олардың мәжбүрлі тербелістерді орындауына әкеледі. Біртіндеп олардың барлығы бірдей амплитудаға ие болады, бұл резонанс болады.
Бұл құбылысты негізі жалғанған метроном үшін де көруге болады.маятник осімен жіп. Бұл жағдайда ол максималды амплитудамен тербеледі, содан кейін маятниктің жіпті «тарту» жиілігі оның еркін тербеліс жиілігіне сәйкес келеді.
Резонанс уақыт бойынша еркін тербелістермен әрекет ететін сыртқы күш оң мәнмен жұмыс істегенде пайда болады. Бұл тербелмелі қозғалыс амплитудасының ұлғаюына әкеледі.
Жағымды әсерден басқа, резонанс құбылысы жиі жағымсыз функцияны орындайды. Мысалы, қоңыраудың тілі дірілдеп тұрса, дыбыстың шығуы үшін арқанның тілдің еркін тербелмелі қозғалыстарымен уақытында әрекет етуі маңызды.
Резонанстың қолданылуы
Қамысты жиілік өлшегіштің жұмысы резонансқа негізделген. Құрылғы бір ортақ негізге бекітілген әртүрлі ұзындықтағы серпімді пластиналар түрінде ұсынылған.
Жиілік өлшегіш тербелмелі жүйеге тиген жағдайда, ол үшін жиілікті анықтау қажет болса, жиілігі өлшенгенге тең пластина максималды амплитудамен тербеледі. Платинаны резонансқа енгізгеннен кейін тербелмелі жүйенің жиілігін есептей аласыз.
Он сегізінші ғасырда Францияның Анже қаласынан алыс емес жерде, ұзындығы 102 метр болатын тізбекті көпір бойымен солдаттар отряды қадам басып жылжыды. Олардың қадамдарының жиілігі резонанс тудырған көпірдің еркін тербелістерінің жиілігіне тең мән алды. Бұл шынжырлардың үзілуіне, аспалы көпірдің опырылуына себеп болды.
1906 жылы дәл осындай себеппен Петербургтегі Египет көпірі бұзылып, оның бойымен атты әскерлер эскадрильясы қозғалды. Мұндай жағымсыз құбылыстарды болдырмау үшін, қазір біргекөпірден өтіп, әскери бөлімдер еркін қарқынмен жүреді.
Электромагниттік құбылыстар
Олар магниттік және электрлік өрістердің өзара байланысты тербелістері.
Тізбектегі меншікті электромагниттік тербелістер жүйені тепе-теңдік күйден шығарған кезде пайда болады, мысалы, конденсаторға заряд берілгенде, контурдағы ток шамасының өзгеруі.
Электромагниттік тербелістер әртүрлі электр тізбектерінде пайда болады. Бұл жағдайда тербелмелі қозғалыс ток күші, кернеу, заряд, электр өрісінің кернеулігі, магниттік индукция және басқа электродинамикалық шамалар арқылы орындалады.
Оларды сөндірілетін тербелістер деп санауға болады, өйткені жүйеге берілетін энергия қызуға кетеді.
Мәжбүрлі электромагниттік тербелістер ретінде периодты түрде өзгеретін сыртқы синусоидалы электр қозғаушы күштің әсерінен болатын тізбектегі процестер жатады.
Мұндай процестер механикалық тербелістегідей заңдылықтармен сипатталады, бірақ олардың физикалық табиғаты мүлде басқа. Электрлік құбылыстар - бұл қуатты, кернеуді, айнымалы токпен электромагниттік процестердің ерекше жағдайы.
Тербелмелі контур
Бұл тізбектей қосылған индуктордан, белгілі сыйымдылығы бар конденсатордан, кедергі резисторынан тұратын электр тізбегі.
Тербелмелі контур тұрақты тепе-теңдік күйде болғанда, конденсатордың заряды болмайды және катушка арқылы электр тогы өтпейді.
Негізгі мүмкіндіктер арасындаэлектромагниттік тербелістер зарядтың уақытқа қатысты екінші туындысы болып табылатын циклдік жиілікті белгілейді. Электромагниттік тербеліс фазасы синус (косинус) заңымен сипатталатын гармоникалық шама.
Тербелмелі контурдағы период Томсон формуласымен анықталады, конденсатордың сыйымдылығына, сондай-ақ катушканың токпен индуктивтілігінің мәніне байланысты. Тізбектегі ток синустық заңға сәйкес өзгереді, сондықтан белгілі бір электромагниттік толқын үшін фазалық ығысуды анықтауға болады.
Айнымалы ток
Индукцияның белгілі бір мәні бар біртекті магнит өрісінде тұрақты бұрыштық жылдамдықпен айналатын кадрда гармоникалық ЭҚК анықталады. Фарадейдің электромагниттік индукция заңына сәйкес олар магнит ағынының өзгеруімен анықталады, синусоидалы шама болып табылады.
Сыртқы ЭҚК көзі тербелмелі контурға қосылғанда, оның ішінде көздің жиілігінің мәніне тең циклдік жиілік ώ болатын мәжбүрлі тербелістер пайда болады. Олар сөндірілмеген қозғалыстар, өйткені заряд жасалған кезде потенциалдар айырымы пайда болады, тізбекте ток пайда болады және басқа физикалық шамалар. Бұл кернеудің, токтың гармоникалық өзгерістерін тудырады, олар пульсирленген физикалық шамалар деп аталады.
Айнымалы токтың өнеркәсіптік жиілігі ретінде 50 Гц мәні алынады. Айнымалы ток өткізгішінен өткен кезде бөлінетін жылу мөлшерін есептеу үшін максималды қуат мәндері пайдаланылмайды, өйткені ол белгілі бір уақыт кезеңдерінде ғана жетеді. Осындай мақсаттар үшін өтініш беріңізорташа қуат, бұл талданатын кезеңде контур арқылы өтетін барлық энергияның оның мәніне қатынасы.
Айнымалы токтың мәні айнымалы токпен бірдей жылу мөлшерін бөлетін тұрақты шамаға сәйкес келеді.
Трансформатор
Бұл электр қуатын айтарлықтай жоғалтпай кернеуді арттыратын немесе азайтатын құрылғы. Бұл дизайн сым орамдары бар екі катушкалар бекітілген бірнеше пластиналардан тұрады. Біріншілік айнымалы кернеу көзіне қосылады, ал екіншілік электр энергиясын тұтынатын құрылғыларға қосылады. Мұндай құрылғы үшін трансформация коэффициенті ерекшеленеді. Күшейткіш трансформатор үшін ол біреуден аз, ал күшейткіш трансформатор үшін ол 1-ге ұмтылады.
Автоматты тербелістер
Бұлар сыртқы көзден энергия беруді автоматты түрде реттейтін жүйелер деп аталады. Оларда өтетін процестер периодты сөндірілмеген (өзіндік тербелмелі) әрекеттер болып саналады. Мұндай жүйелерге электромагниттік әсерлесудің түтік генераторы, қоңырау, сағат жатады.
Әртүрлі денелер бір уақытта әртүрлі бағыттағы тербелістерге қатысатын жағдайлар да бар.
Егер амплитудалары бірдей қозғалыстарды қоссаңыз, амплитудасы үлкен гармоникалық тербеліс алуға болады.
Фурье теоремасы бойынша күрделі процесс ыдырауға болатын қарапайым тербелмелі жүйелер жиынтығы гармоникалық спектр болып саналады. Ол барлық қарапайым тербелістердің амплитудалары мен жиіліктерін көрсетедімұндай жүйе. Көбінесе спектр графикалық түрде көрсетіледі.
Жиіліктер көлденең осьте белгіленген, ал мұндай тербелістердің амплитудалары ордината осі бойымен көрсетілген.
Кез келген тербелмелі қозғалыстар: механикалық, электромагниттік, белгілі бір физикалық шамалармен сипатталады.
Біріншіден, бұл параметрлерге амплитуда, кезең, жиілік кіреді. Әрбір параметр үшін есептеулерді жүргізуге, қажетті сипаттамаларды сандық есептеуге мүмкіндік беретін математикалық өрнектер бар.
