Nella vita di tutti i giorni, una persona incontra costantemente manifestazioni di movimento oscillatorio. Questa è l'oscillazione del pendolo nell'orologio, le vibrazioni delle molle delle automobili e l'intera macchina. Anche un terremoto non è altro che vibrazioni della crosta terrestre. I grattacieli ondeggiano anche da forti raffiche di vento. Proviamo a capire come la fisica spiega questo fenomeno.
Il pendolo come sistema oscillatorio
L'esempio più ovvio di movimento oscillatorio è il pendolo dell'orologio da parete. Il passaggio del pendolo dal punto più alto a sinistra al punto più alto a destra è detto suo pieno movimento. Il periodo di una tale oscillazione completa è chiamato perimetro. La frequenza di oscillazione è il numero di oscillazioni al secondo.
Per studiare le oscillazioni, viene utilizzato un semplice pendolo a filo, che si ottiene appendendo una pallina di metallo su un filo. Se immaginiamo che la palla sia un punto materiale e il filo non abbia massa assolutaflessibilità e mancanza di attrito, ottieni un pendolo teorico, cosiddetto matematico.
Il periodo di oscillazione di un tale pendolo "ideale" può essere calcolato usando la formula:
T=2π √ l / g, dove l è la lunghezza del pendolo, g è l'accelerazione di caduta libera.
La formula mostra che il periodo di oscillazione del pendolo non dipende dalla sua massa e non tiene conto dell'angolo di deviazione dalla posizione di equilibrio.
Trasformazione di energia
Qual è il meccanismo dei movimenti del pendolo, che si ripetono con un certo periodo anche all'infinito, se non ci fossero forze di attrito e di resistenza, per superare le quali è richiesto un certo lavoro?
Il pendolo inizia ad oscillare a causa dell'energia che gli viene impartita. Nel momento in cui il pendolo viene tolto dalla posizione verticale, gli diamo una certa quantità di energia potenziale. Quando il pendolo si sposta dal suo punto più alto alla sua posizione iniziale, l'energia potenziale viene convertita in energia cinetica. In questo caso, la velocità del pendolo diventerà la massima, poiché la forza che impartisce l'accelerazione diminuisce. A causa del fatto che nella posizione iniziale la velocità del pendolo è massima, non si ferma, ma per inerzia si sposta ulteriormente lungo l'arco di cerchio esattamente alla stessa altezza di quella da cui è disceso. Questo è il modo in cui l'energia viene convertita durante il movimento oscillatorio da potenziale a cinetico.
L' altezza del pendolo è uguale all' altezza del suo abbassamento. Galileo giunse a questa conclusione mentre conduceva un esperimento con un pendolo, poi intitolato a lui.
L'oscillazione di un pendolo è un indiscutibile esempio della legge di conservazione dell'energia. E sono chiamate vibrazioni armoniche.
Onda sinusoidale e fase
Che cos'è un movimento oscillatorio armonico. Per vedere il principio di tale movimento, puoi condurre il seguente esperimento. Appendiamo un imbuto con sabbia sulla traversa. Sotto di esso mettiamo un foglio di carta, che può essere spostato perpendicolarmente alle fluttuazioni dell'imbuto. Dopo aver avviato l'imbuto, spostiamo la carta.
Il risultato è una linea ondulata scritta nella sabbia: una sinusoide. Queste oscillazioni, che avvengono secondo la legge del seno, sono dette sinusoidali o armoniche. Con tali fluttuazioni, qualsiasi quantità che caratterizza il movimento cambierà secondo la legge del seno o del coseno.
Dopo aver esaminato la sinusoide formata sul cartone, si può notare che la sabbia è uno strato di sabbia nelle sue varie sezioni di diverso spessore: nella parte alta oa valle della sinusoide, era più fittamente ammucchiata. Ciò suggerisce che in questi punti la velocità del pendolo fosse la più piccola, o meglio zero, in quei punti in cui il pendolo ha invertito il suo moto.
Il concetto di fase gioca un ruolo enorme nello studio delle oscillazioni. Tradotta in russo, questa parola significa "manifestazione". In fisica, una fase è una fase specifica di un processo periodico, cioè il punto sulla sinusoide in cui si trova attualmente il pendolo.
Esitazioni a piede libero
Se il sistema oscillatorio riceve il movimento e poi si fermal'influenza di qualsiasi forza ed energia, quindi le oscillazioni di un tale sistema saranno chiamate libere. Le oscillazioni del pendolo, che è lasciato a se stesso, cominceranno gradualmente a svanire, l'ampiezza diminuirà. Il movimento del pendolo non è solo variabile (più veloce in basso e più lento in alto), ma anche non uniformemente variabile.
Nelle oscillazioni armoniche, la forza che dà l'accelerazione del pendolo si indebolisce con una diminuzione della quantità di deviazione dal punto di equilibrio. Esiste una relazione proporzionale tra forza e distanza di deflessione. Pertanto, tali vibrazioni sono dette armoniche, in cui l'angolo di deviazione dal punto di equilibrio non supera i dieci gradi.
Movimento forzato e risonanza
Per l'applicazione pratica in ingegneria, le vibrazioni non possono decadere, impartendo una forza esterna al sistema oscillante. Se il movimento oscillatorio avviene sotto l'influenza esterna, è detto forzato. Le oscillazioni forzate si verificano con la frequenza che un'influenza esterna le imposta. La frequenza della forza esterna agente può coincidere o meno con la frequenza delle oscillazioni naturali del pendolo. Quando coincidono, l'ampiezza delle oscillazioni aumenta. Un esempio di tale aumento è uno swing che decolla più in alto se, durante il movimento, dai loro accelerazione, colpendo il ritmo del loro stesso movimento.
Questo fenomeno in fisica è chiamato risonanza ed è di grande importanza per le applicazioni pratiche. Ad esempio, quando si sintonizza un ricevitore radio sull'onda desiderata, viene portato in risonanza con la stazione radio corrispondente. Il fenomeno della risonanza ha anche conseguenze negative,portando alla distruzione di edifici e ponti.
Sistemi autosufficienti
Oltre alle vibrazioni forzate e libere, ci sono anche le auto-oscillazioni. Si verificano con la frequenza del sistema oscillante stesso quando esposto a una forza costante anziché variabile. Un esempio di auto-oscillazioni è un orologio, il movimento del pendolo in cui è previsto e mantenuto svolgendo la molla o abbassando il carico. Quando si suona il violino, le vibrazioni naturali delle corde coincidono con la forza derivante dall'influenza dell'arco, e appare un suono di una certa tonalità.
I sistemi oscillatori sono diversi e lo studio dei processi che si verificano in essi negli esperimenti pratici è interessante e informativo. L'applicazione pratica del moto oscillatorio nella vita quotidiana, nella scienza e nella tecnologia è varia e indispensabile: dalle oscillazioni alla produzione di motori a razzo.
