Изучаем механические колебания

Окружающий нас физический мир преисполнен движением. Практически невозможно найти хотя бы одно физическое тело, которое можно было бы считать находящимся в состоянии покоя. Кроме равномерно поступательного прямолинейного движения, движения по сложной траектории, движения с ускорением и прочих, мы можем наблюдать воочию или испытывать на себе влияние периодически повторяющихся перемещений материальных предметов.

Человек давно заметил отличительные свойства и особенности колебательных движений и даже научился использовать механические колебания в своих целях. Все периодически повторяющиеся во времени процессы можно назвать колебаниями. Механические колебания являются лишь частью этого многообразного мира явлений, происходящих практически по одним законам. На наглядном примере механических повторяющихся движений можно составить основные правила и определить законы, по которым происходят электромагнитные, электромеханические и прочие колебательные процессы.


Природа возникновения механических колебаний кроется в периодическом превращении потенциальной энергии в кинетическую. Описать пример, как происходит превращение энергии при механических колебаниях, можно, рассматривая шарик, подвешенный на пружине. В спокойном состоянии сила тяжести уравновешивается силой упругости пружины. Но стоит вывести систему из состояния равновесия принудительно, спровоцировав тем самым движение с сторону точки равновесия, как потенциальная энергия начнёт своё преобразование в кинетическую. А та, в свою очередь, с момента прохождения шариком нулевой позиции начнёт преобразовываться в потенциальную. Этот процесс происходит столь долго, насколько условия существования системы приближаются к безупречным.


Математически идеальными считаются колебания, происходящие по закону синуса или косинуса. Такие процессы принято называть гармоническими колебаниями. Идеальным примером механических гармонических колебаний является движение маятника в абсолютно-безвоздушном пространстве, когда отсутствует влияние сил трения. Но это совершенно безупречный случай, добиться которого технически весьма проблематично.

Механические колебания, несмотря на их продолжительность, рано или поздно прекращаются, и система занимает положение относительного равновесия. Происходит это по причине растраты энергии на преодоление сопротивления воздуха, трения и прочих факторов, неотвратимо приводящих к корректировке расчётов при переходе от идеальных к реальным условиям, в которых существует рассматриваемая система.

Неотвратимо приближаясь к глубокому изучению и анализу, приходим к необходимости математически описать механические колебания. Формулы этого процесса включают такие величины, как амплитуда (А), частота колебаний (w), начальная фаза (a). А функция зависимости смещения (х) от времени (t) в классическом виде имеет вид

x=Acos(wt+a).

Также стоит упомянуть о величине, характеризующей механические колебания, имеющей название – период (T), который математически определяется, как

T=2π/w.

Механические колебания, кроме наглядности описания процессов колебаний немеханической природы, интересуют нас некоторыми свойствами, которые при правильном использовании могут оказать определённую пользу, а при их игнорировании - привести к существенным неприятностям.


Особое внимание требуется уделять явлению резкого скачка амплитуды при вынужденных колебаниях, наступающих при приближении частоты воздействия вынуждающей силы к частоте собственных колебаний тела. Оно называется резонансом. Широко используемое в электронике, в механических системах явление резонанса в основном проявляет разрушительный характер, его необходимо учитывать при создании самых разнообразных механических конструкций и систем.

Следующим проявлением механических колебаний является вибрация. Её появление может оказать не только определённый дискомфорт, но и привезти к возникновению резонанса. Но, кроме отрицательного воздействия, местная вибрация с небольшой интенсивностью проявления может благоприятно воздействовать в целом на организм человека, улучшая функциональное состояние ЦНС, и даже ускорять заживление ран и т.п.

Среди вариантов проявления механических колебаний можно выделить явление звука, ультразвука. Полезные свойства этих механических волн и других проявлений механических колебаний широко используются в самых различных отраслях человеческой жизнедеятельности.

Математический маятник: период, ускорение и формулы
Механическая система, которая состоит из материальной точки (тела), висящей на нерастяжимой невесомой нити (ее масса ничтожно мала по сравнению с весом тела) в однородном поле тяжести, называется математическим маятником (другое название – ...
далее
Механические волны: источник, свойства, формулы
Представить, что такое механические волны, можно, бросив в воду камень. Круги, возникающие на ней и являющиеся чередующимися впадинами и гребнями, - это пример механических волн. В чем их сущность?
далее
Вибрации - определение. Типы и уровни вибраций
Вибрации – это одна из проблем современных мегаполисов. Причем с каждым годом ее интенсивность постоянно возрастает. Почему же современная наука столь активно исследует данную проблему?
далее
Периодические колебания: определение, основные характеристики
Что такое периодические колебания? Определение, основные свойства, формулы расчёта периода и частоты.
далее
Какой лучший пример резонанса, объясняющий его суть
Резонанс - одно из мощнейших явлений в физике. С его помощью можно горы свернуть! Давайте узнаем, как именно действует резонанс.
далее
Какой лучший пример резонанса, объясняющий его суть
Исследование вибрации. Измерение вибрации. Влияние вибрации на человека
Мы еще со школьных лет знакомимся с такой наукой, как физика. Колебания, частоты, ускорение - все эти понятия наверняка вам знакомы. В этой статье мы рассмотрим более подробно такую важную тему, как вибрация. Каждый из нас сталкивается с этим явлением в повседневной жизни.
далее
Исследование вибрации. Измерение вибрации. Влияние вибрации на человека