Какое движение называется колебательным какими параметрами оно характеризуется кратко

Обновлено: 05.07.2024

Колебания – это движения или процессы, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.

Механические колебания-колебания механических величин (смещения, скорости, ускорения, давления и т.п.).

Механические колебания (в зависимости от характера сил) бывают:

Свободные (или собственные) — это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие).

Условия возникновения свободных колебаний

1. Колебательная система должна иметь положение устойчивого равновесия.

2. При выведении системы из положения равновесия должна возникать равнодействующая сила, возвращающая систему в исходное положение

3. Силы трения (сопротивления) очень малы.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Автоколебания - незатухающие колебания в системе, поддерживаемые внутренними источниками энергии при отсутствии внешней переменной силы.

Частота и амплитуда автоколебаний определяется свойствами самой колебательной системы.

От свободных колебаний автоколебания отличаются независимостью амплитуды от времени и от начального воздействия, возбуждающего процесc колебаний.

Автоколебательная система состоит из: колебательной системы; источника энергии; устройства обратной связи, регулирующее поступление энергии из внутреннего источника энергии в колебательную систему.

Энергия, поступающая из источника за период, равна энергии, потерянной колебательной системой за то же время.

Механические колебания делятся на:

Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Характеристики колебательного движения:

Наибольшее (по модулю) отклонение колеблющегося тела от положения равновесия называется амплитудой колебаний. Обычно амплитуду обозначают буквой А.

Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний.

Период колебаний обычно обозначается буквой Т и в СИ измеряется в секундах (с).

Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

Обозначается частота буквой v (“ню”). За единицу частоты принято одно колебание в секунду. Эта единица в честь немецкого ученого Генриха Герца названа герцем (Гц).

период колебания Т и частота колебаний v связаны следующей зависимостью:

Циклическая (круговая) частота ω – число колебаний за 2π секунд

Гармонические колебания - механические колебания, которые происходят под действием силы, пропорциональной смещению и направленной противоположно ему. Гармонические колебания совершаются по закону синуса или косинуса.

Пусть материальная точка совершает гармонические колебания.

Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

а – ускорение V- скорость q – заряд А – амплитуда t -время

Механические колебания-колебания механических величин (смещения, скорости, ускорения, давления и т.п.).

Механические колебания (в зависимости от характера сил) бывают:

Условия возникновения свободных колебаний

1. Колебательная система должна иметь положение устойчивого равновесия.

3. Силы трения (сопротивления) очень малы.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Частота и амплитуда автоколебаний определяется свойствами самой колебательной системы.

Механические колебания делятся на:

Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Характеристики колебательного движения:

Промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание, называется периодом колебаний.

Период колебаний обычно обозначается буквой Т и в СИ измеряется в секундах (с).

Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

период колебания Т и частота колебаний v связаны следующей зависимостью:

Циклическая (круговая) частота ω – число колебаний за 2π секунд

1. Какое движение называется колебательным? В чем главное отличие его от других движений?

1. Движение называется колебательным, если при движении происходит частичная или полная повторяемость состояния системы по времени. Если значения физических величин, характеризующих данное колебательное движение, повторяются через равные промежутки времени, колебания называют периодическими.

2. Что такое период колебаний? Что такое частота колебаний? Какова связь между ними?

2. Периодом называют время, в течение которого совершается одно полное колебание. Частота колебаний - число колебаний в единицу времени. Частота колебаний обратно пропорциональна периоду колебаний.

3. Система колеблется с частотой 1 Гц. Чему равен период колебания?

4. В каких точках траектории колеблющегося тела скорость равна нулю? Ускорение равно нулю?

4. В точках максимального отклонения от положения равновесия скорость равна нулю. Ускорение равно нулю в точках равновесия.

5. Какие величины, характеризующие колебательное движение, изменяются периодически?

5. Скорость, ускорение и координата в колебательном движении изменяются периодически.

6. Что можно сказать о силе, которая должна действовать в колебательной системе, чтобы она совершала гармонические колебания?

6. Сила должна изменяться с течением времени по гармоническому закону. Эта сила должна быть пропорциональна смещению и направлена противоположно смещению к положению равновесия.

7. Какое перемещение совершит колеблющееся тело за один период? Чему равен путь, пройденный телом за это же время?

7. За один период времени перемещение тела будет равно нулю, т.к. тело вернется в исходную точку; путь же совершенный телом будет равен удвоенной амплитуде колебания.

Определение и основные понятия колебательного движения

Колебательное движение (колебание) - это любое движение или изменение состояния, которое повторяется во времени, соответственно повторяются значения физических величин, которые характеризуют данное движение или состояние.

Различные физические явления представляют собой колебания: звуковые колебания, электромагнитные, механические и т.д. У всех этих явлений существует общее в законах и математических методах, при помощи которых они описываются.

Колебательное движение называется периодическим, если переменные параметры этих колебаний повторяются через равные промежутки времени.

Колебания называются свободными, если они происходят в системе, на которую не действуют внешние силы (или действие их взаимно скомпенсировано).

Такая система один раз выводится из состояния равновесия. Если колебательная система консервативная, то рассеяния энергии при колебаниях нет. В таком случае свободные колебания являются незатухающими. Свободные незатухающие колебания, которые происходят под воздействием упругих сил, являются гармоническими.

Периодом незатухающих колебаний называют минимальный промежуток времени ($T$) по истечении которого происходит повторение значений всех физических параметров, которые характеризуют колебание.

Частотой колебаний ($\nu $) называют величину обратную периоду колебаний, это количество полных колебаний, которое совершает колебательная система:

Гармонические колебания

Самым простым типом колебаний считают гармонические колебания.

Колебания называют гармоническими, если изменения физической величины описывается при помощи закона синуса или косинуса.

Пусть происходят гармонические колебания никоторого параметра $s$, тогда они описываются как:

где $A=s_$ - амплитуда колебаний (постоянна во времени); $<\omega >_0$ - циклическая (круговая) частота колебаний (с течением времени не изменяется); $\varphi $ - начальная фаза колебаний (фаза при $t=0$); $(<\omega >_0t+\varphi )$ - фаза колебаний. Величина $s$ изменяется $-A\le s\le $+A.

Те же самые колебания можно описать как:

За время равное периоду колебаний фаза изменяется на величину равную $2\pi $, поэтому:

Циклическая частота $<\omega >_0$ равна числу полных колебаний, которые совершаются колебательной системой за $2\pi $c:

Дифференциальное уравнение колебательного движения

Линейное дифференциальное уравнение гармонических колебаний представляет собой выражение:

Решениями уравнения (6) является выражения (2) и (3). Уравнение вида (6) называют уравнением гармонического осциллятора, а колебательную систему, которая совершает эти колебания гармоническим осциллятором (примерами гармонических осцилляторов являются: пружинный маятник, физический маятник, электрический колебательный контур).

Представление гармонических колебаний в комплексной форме

Сложение, разложение на составляющие и другие операции при изучении гармонических колебаний проще проводить, если представить уравнение гармонических колебаний в комплексной форме. При этом вместо действительной формы записи (2 и 3) используют комплексную:

Величина $\tilde$ является комплексной и не дает реального физического отклонения, которое характеризуется вещественной величиной $s$ (2,3). Но мнимую часть величины $\tilde$ можно рассматривать как действительной гармоническое колебание выраженное синусом. С другой стороны действительная часть (7) равная:

представляет собой вещественное гармоническое колебание. Поэтому гармонические колебания можно записывать в комплексном виде (7) и выполнять все требуемые расчёты. При получении результата нужно взять действительную или мнимую часть для перехода к физическим величинам.

Примеры задач на колебательное движение

Задание: Материальная точка, массой $m=^$кг совершает колебания согласно закону: $x=0,05$. Каково максимальное значение возвращающей силы, действующей на точку ($F_$)?

Решение:В соответствии со вторым законом Ньютона на материальную точку действует сила:

Так как колебания точки происходят по оси X, то получим:

Вычислим вторую производную от $x\left(t\right)=0,05$, имеем:

Подставим правую часть выражения (1.3) в (1.2) вместо соответствующей производной, учитывая массу точки получаем:

Максимальное значение косинуса равно единице, значит:

Ответ: $\left|F_\right|=2\cdot ^$Н

Задание: Нарисуйте траекторию колебательного движения точки, если она участвует одновременно в двух взаимно перпендикулярных колебаниях, которые описывают законы:

Решение:Определим, каким является уравнение колебательного движения точки в плоскости XY. Используем формулу косинуса двойного угла:

Колебательное движение – это движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени, при котором тело многократно и в разных направлениях проходит положение равновесия.

Колебательное движение наряду с поступательным и вращательным является одним из видов механического движения.

Физическая система (или тело), в которой при отклонении от положения равновесия возникают колебания, называется колебательной системой. На рис.1 представлены примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна.

Рис.1. Примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна

Если в колебательной системе отсутствуют потери энергии, связанные с действием сил трения, то колебания будут продолжаться бесконечно долго. Такие колебательные системы называются идеальными. В реальных колебательных системах всегда существуют потери энергии, обусловленные силами сопротивления, в результате чего колебания не могут продолжаться бесконечно долго, т.е. являются затухающими.

Свободные колебания – это колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил. Вынужденные колебания – колебания, возникающие в системе под действием внешней периодической силы.

Условия возникновения свободных колебаний в системе

система должна находиться в положении устойчивого равновесия: при отклонении системы от положения равновесия должна возникать сила, стремящаяся вернуть систему в положение равновесия — возвращающая сила;
наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с ее энергией в положении равновесия;
избыточная энергия, полученная системой при смещении ее из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоления сил трения при возвращении в положение равновесия, т.е. силы трения в системе должны быть достаточно малы.

Примеры решения задач

Задание

Какие из приведенных движений являются примером механических колебаний:
а) движение крыльев стрекозы;
б) движение парашютиста, опускающегося на землю;
в) движение Земли вокруг Солнца;
г) движение травы на ветру;
д) движение шарика на дне сферической чаши;
ж) движение качелей? В каких случаях колебания являются вынужденными и почему?

Ответ

Примером механических колебаний являются следующие случаи: а) движение крыльев стрекозы; г) движение травы на ветру; д) движение шарика на дне сферической чаши; ж) движение качелей. Во всех этих случаях тела совершают движения, повторяющиеся во времени, проходя одни и те же положения в прямом и в обратном порядке. Земля, оборачиваясь вокруг Солнца, совершает повторяющееся движение, однако она не меняет направление своего движения, поэтому случай в) движение Земли вокруг Солнца; не является примером механических колебаний.

Вынужденными колебаниями являются случаи а) движение крыльев стрекозы; и г) движение травы на ветру. В обоих случаях колебания совершаются под действием внешней силы (в первом случае – силы мышц стрекозы, во втором случае – силы ветра). В случае ж) движение качелей колебания будут вынужденными, если время от времени раскачивать качели. Если же вывести качели из положения равновесия и отпустить, колебания будут свободными.

§ 1. Колебательное движение. Гармонические колебания

В мире разнообразных механических движений достаточно часто встречаются периодические (повторяющиеся) движения: колебания маятника часов, движение поршня в двигателе автомобиля, биение сердца человека. В чем особенность такого движения? Какими параметрами оно описывается? В чем их отличия от поступательного и вращательного движения?

Движение абсолютно твердого тела, при котором прямая, проходящая через любые две его точки, остается параллельной самой себе, называется поступательным движением.

Вращательным называется движение тела, при котором каждая точка тела движется по своей окружности, и центры этих окружностей лежат на одной неподвижной прямой. Эта прямая называется осью вращения. Равномерное вращение характеризуется периодом T или частотой ν . Период обращения T равен времени, за которое тело совершает один оборот по окружности. Частота ν равна числу оборотов в единицу времени.

Тело находится в равновесии, если векторная сумма всех сил, приложенных к нему, и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно любой оси равна нулю. Равновесие называется устойчивым, если при малом отклонении от положения равновесия тело возвращается в исходное положение.

Разные виды механического движения характеризуются различной степенью повторяемости. Так при поступательном движении тело может вообще не вернуться в исходное положение, тогда как при вращательном движении это произойдет через промежуток времени, равный периоду обращения T.

В окружающем нас мире очень широко распространен и такой вид движения тела, при котором оно сначала движется в прямом направлении, а затем — в обратном. Такое движение повторяется неоднократно по одной и той же траектории. Подобные примеры приведены на рисунке 1. При этом через любую точку траектории, за исключением крайних точек 1 и 2 (см. рис. 1), тело проходит как в прямом, так и в обратном направлениях.

Такой вид движения называется колебательным. Колебательное движение совершают такие механические системы, как маятник, качели, листья деревьев под воздействием ветра, струны при игре на гитаре или пианино. Движение атомов в кристаллической решетке также носит колебательный характер.

Таким образом, для колебательного движения характерно свойство повторяемости (см. рис. 1). Когда физические величины характеризующие движение (например, координата x, проекции скорости v_x и действующей силы F_x) принимают одни и те же значения через равные промежутки времени (рис. 2), то такие колебания (движения) называются периодическими.

Минимальный промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебание, называется периодом колебаний и обозначается буквой T :

где Δt — промежуток времени, за который произошло N колебаний.

Колебания по своей природе могут быть не только механическими, но и электромагнитными (периодические изменения напряжения и силы тока в электрической цепи), термодинамическими (колебания температуры с течением времени) и т. д. Таким образом, колебания — это особая форма движения в том смысле, что различные по своей природе физические процессы (механические, электромагнитные и т. д.) описываются одинаковыми математическими зависимостями физических величин от времени.

Для описания колебаний, как и для вращательного движения, наряду с периодом колебаний T используют величину, которая называется частотой колебаний. Она обозначается буквой v. Частота v равна отношению числа колебаний N к промежутку времени Δ t , за которые они произошли:

Следовательно, частота колебаний показывает, какое число колебаний тело совершает в единицу времени (за секунду):

Кроме частоты ν часто используют циклическую частоту ω , число колебаний, совершаемых за промежуток времени Δ t, равный 2π секунд:

Для наглядного описания колебательного движения удобно представить зависимость координаты x колеблющегося тела от времени t в виде графика, т. е. построить график функции x(t).

Если же при этом лист бумаги будет двигаться с постоянной скоростью, то будет происходить сложение двух движений во взаимноперпендикулярных направлениях. В результате на бумаге появится кривая (см. рис. 3), каждая точка которой соответствует положению колеблющегося фломастера в различные моменты времени. Получилась развертка колебательного движения, т. е. график движения колеблющегося тела.

Такая кривая называется осциллограммой (от латинского слова oscillum — колебание и греч. γραμα (грамма) — запись).

Для развертки колебаний можно использовать и современную установку с компьютером, приведенную на рисунке 6. Подвесим на цилиндрической пружине груз. Отведем его вниз, отпустим и будем регистрировать колебания с помощью ультразвукового датчика движения. Он будет определять расстояние до подвешенного груза. При соответствующем программном обеспечении зависимость расстояния от груза до датчика от времени будет изображаться на экране компьютера (см. рис. 6).

Какие выводы можно сделать исходя из представленных осциллограмм?

Во-первых, координата тела изменяется периодически (см. рис. 6). Обычно систему координат выбирают так, что ось времени проходит через точку, значение координаты х = 0 которого соответствует положению устойчивого равновесия (рис. 7). В таком случае координата груза будет изменяться от максимального значения x = x_max = A до минимального значения x = x_min = –A. Максимальное отклонение маятника от значения х = 0 (положения равновесия) называется амплитудой колебаний и обозначается буквой А. В данном случае ее величина равна А = 0,12 м.

Следовательно, колебания кроме периода (частоты) характеризуются амплитудой колебаний.

Во-вторых, скорость и ускорение при движении колеблющегося тела непостоянны во времени. Они также периодически меняются во времени. Так, скорость маятника максимальна ( v = v _max) при прохождении положения равновесия (х = 0) и равна нулю v = 0 при х = A или х = –A.

Форму кривой, выражающей зависимость изменения колеблющейся величины (например, координаты, проекции скорости, проекции ускорения) от времени, называют формой колебаний (см. рис.2)

Осциллограммы различных колебаний широко используются в медицине, науке и технике. Колебания, которые совершают грузы на пружине или подвешенные на нити , являются наиболее простыми по форме (синусоидальными или косинусоидальными) (см. рис. 7). На рисунке 8 приведена электрокардиограмма (от греч. καρδια кардио) — сердце) — запись биений сердца человека, позволяющая определить состояние сердца и, если необходимо, назначить своевременное лечение. В отличие от осциллограммы колеблющегося груза (см. рис. 3) форма электрокардиограммы (см. рис. 8) существенно более сложная.

Заметим, что амплитуда и период колебаний не дают полного представления о характере периодического процесса, так как процессы могут иметь одинаковую амплитуду и период, но совершенно разную форму (pис. 9).

Как же математически описываются гармонические колебания?

Они описываются уравнениями, в которых координата (смещение) тела изменяется во времени по закону косинуса.

или синуса:

Величина называется фазой колебаний. Она определяет состояние колебательной системы (координаты, скорости, ускорения) в любой момент времени при заданной частоте и амплитуде. Значение в начальный момент времени φ(t = 0) =φ₀ называется начальной фазой φ₀.

Зависимость координаты от времени x(t) (соотношения (5) и (6)) называется кинематическим законом движения, поскольку позволяет определить положение колеблющегося тела. Исходя из него можно найти его скорость, ускорение в любой момент времени.

Координата тела (смещение тела из положения равновесия) x(t) в момент времени t при периодическом движении подчиняется равенству:

где f(t) — заданная периодическая функция от времени t, T — период этой функции.

Движение, при котором координата тела изменяется во времени по закону синуса (или косинуса), называется гармоническим колебанием.

Таким образом, основными кинематическими величинами, характеризующими периодические колебания, являются: период (Т), частота (), циклическая частота () и амплитуда (А).

В СИ основными единицами этих величин являются: периода колебаний — секунда (1 c), частоты колебаний — герц (1 Гц), циклической частоты — 1 c –1 . 1 Гц равен частоте колебаний тела, при которой за 1 c тело совершает одно полное колебание (1 Гц = 1 с –1 ).

Название единицы частоты герц дано в честь немецкого физика Генриха Герца, который экспериментально открыл электромагнитные волны.

Обратим внимание на то, что величины T, v,ω, A, которые характеризуют гармонические колебания тела, аналогичны соответствующим величинам, описывающих движение тела по окружности (табл. 1).

Т а б л и ц а 1. Сопоставление физических величин, характеризующих вращательное и колебательное движение

Читайте также: