Ci sono diversi tipi di oscillazioni in fisica, caratterizzate da determinati parametri. Considera le loro principali differenze, classificandole in base a diversi fattori.
Definizioni di base
Per fluttuazione si intende un processo in cui ad intervalli regolari le caratteristiche principali del movimento hanno gli stessi valori.
Le oscillazioni periodiche sono quelle in cui i valori delle grandezze di base si ripetono ad intervalli regolari (periodo di oscillazione).
Varietà di processi oscillatori
Consideriamo i principali tipi di oscillazioni che esistono nella fisica fondamentale.
Le vibrazioni libere sono quelle che si verificano in un sistema che non è soggetto a influenze esterne variabili dopo lo shock iniziale.
Un esempio di oscillazione libera è un pendolo matematico.
Quei tipi di vibrazioni meccaniche che si verificano nel sistema sotto l'azione di una forza variabile esterna.
Caratteristiche della classificazione
Per natura fisica, si distinguono i seguenti tipi di movimenti oscillatori:
- meccanico;
- termico;
- elettromagnetico;
- misto.
Secondo l'opzione di interazione con l'ambiente
I tipi di fluttuazione nell'interazione con l'ambiente sono divisi in diversi gruppi.
Le oscillazioni forzate compaiono nel sistema sotto l'azione di un'azione periodica esterna. Come esempi di questo tipo di oscillazione, possiamo considerare il movimento delle mani, le foglie sugli alberi.
Per le oscillazioni armoniche forzate, può apparire una risonanza, in cui, a parità di valori della frequenza dell'influenza esterna e dell'oscillatore, con un forte aumento di ampiezza.
Proprie vibrazioni nel sistema sotto l'influenza di forze interne dopo che è stato portato fuori dall'equilibrio. La variante più semplice delle vibrazioni libere è il movimento di un carico sospeso su un filo o fissato a una molla.
Le auto-oscillazioni sono tipi in cui il sistema ha una certa quantità di energia potenziale utilizzata per fare oscillazioni. La loro caratteristica distintiva è il fatto che l'ampiezza è caratterizzata dalle proprietà del sistema stesso e non dalle condizioni iniziali.
Per le fluttuazioni casuali, il carico esterno ha un valore casuale.
Parametri di base dei movimenti oscillatori
Tutte le modalità di vibrazione hanno determinate caratteristiche che dovrebbero essere menzionate separatamente.
L'ampiezza è la massima deviazione dalla posizione di equilibrio, la deviazione di un valore fluttuante, si misura in metri.
Il periodo è il tempo di uno swing completo, attraversoche ripete le caratteristiche del sistema, viene calcolato in secondi.
La frequenza è determinata dal numero di oscillazioni per unità di tempo, è inversamente proporzionale al periodo di oscillazione.
La fase di oscillazione caratterizza lo stato del sistema.
Caratteristica delle oscillazioni armoniche
Tali tipi di oscillazioni si verificano secondo la legge del coseno o del seno. Fourier è riuscito a stabilire che qualsiasi oscillazione periodica può essere rappresentata come una somma di cambiamenti armonici espandendo una certa funzione in una serie di Fourier.
Ad esempio, considera un pendolo con un certo periodo e frequenza ciclica.
Cosa caratterizza questi tipi di fluttuazioni? La fisica considera il pendolo matematico un sistema idealizzato, che consiste in un punto materiale, che è sospeso su un filo inestensibile senza peso, oscilla sotto l'influenza della gravità.
Tali tipi di vibrazioni hanno una certa quantità di energia, sono comuni in natura e tecnologia.
Con un movimento oscillatorio prolungato, la coordinata del suo centro di massa cambia, e con corrente alternata, il valore della corrente e della tensione nel circuito cambia.
Ci sono diversi tipi di oscillazioni armoniche per natura fisica: elettromagnetiche, meccaniche, ecc.
Lo scuotimento di un veicolo che si muove su una strada dissestata agisce come un'oscillazione forzata.
Principali differenze tra forzato e liberofluttuazioni
Questi tipi di oscillazioni elettromagnetiche differiscono nelle caratteristiche fisiche. La presenza di forze medie di resistenza e di attrito portano allo smorzamento delle oscillazioni libere. Nel caso di oscillazioni forzate, le perdite di energia sono compensate dalla sua alimentazione aggiuntiva da una fonte esterna.
Il periodo di un pendolo primaverile mette in relazione la massa del corpo e la rigidità della molla. Nel caso di un pendolo matematico, dipende dalla lunghezza del filo.
Con un periodo noto, puoi calcolare la frequenza naturale del sistema oscillatorio.
Nella tecnologia e nella natura, ci sono fluttuazioni con diversi valori di frequenza. Ad esempio, il pendolo che oscilla nella cattedrale di Sant'Isacco a San Pietroburgo ha una frequenza di 0,05 Hz, mentre per gli atomi è di diversi milioni di megahertz.
Dopo un certo periodo di tempo, si osserva lo smorzamento delle oscillazioni libere. Ecco perché le oscillazioni forzate vengono utilizzate nella pratica reale. Sono richiesti in una varietà di macchine a vibrazione. Il martello vibrante è una macchina a vibrazione d'urto progettata per conficcare nel terreno tubi, pali e altre strutture metalliche.
Oscillazioni elettromagnetiche
La caratterizzazione dei modi di oscillazione comporta l'analisi dei principali parametri fisici: carica, tensione, intensità di corrente. Come sistema elementare, che viene utilizzato per osservare le oscillazioni elettromagnetiche, è un circuito oscillatorio. È formato collegando una bobina e un condensatore in serie.
Quando il circuito è chiuso, elettromagnetico liberofluttuazioni associate a variazioni periodiche della carica elettrica sul condensatore e della corrente nella bobina.
Sono gratuiti perché quando vengono eseguiti non c'è influenza esterna, ma viene utilizzata solo l'energia immagazzinata nel circuito stesso.
Se consideriamo la resistenza della bobina zero e prendiamo il periodo di oscillazione come T, possiamo considerare un'oscillazione completa effettuata dal sistema.
In assenza di influenze esterne, dopo un certo periodo di tempo, si osserva lo smorzamento dell'oscillazione elettromagnetica. La ragione di questo fenomeno sarà la scarica graduale del condensatore, così come la resistenza che ha effettivamente la bobina.
Ecco perché le oscillazioni smorzate si verificano in un circuito reale. La riduzione della carica sul condensatore porta ad una diminuzione del valore dell'energia rispetto al suo valore originale. A poco a poco, verrà rilasciato sotto forma di calore sui fili di collegamento e sulla bobina, il condensatore sarà completamente scaricato e l'oscillazione elettromagnetica sarà completata.
L'importanza delle fluttuazioni nella scienza e nella tecnologia
Tutti i movimenti che hanno un certo grado di ripetizione sono oscillazioni. Ad esempio, un pendolo matematico è caratterizzato da una deviazione sistematica in entrambe le direzioni dalla posizione verticale originaria.
Per un pendolo a molla, un'oscillazione completa corrisponde al suo movimento su e giù dalla posizione iniziale.
In un circuito elettrico che ha capacità e induttanza, c'è una ripetizione di carica supiastre di condensatori. Qual è la causa dei movimenti oscillatori? Il pendolo funziona grazie al fatto che la gravità lo fa tornare nella sua posizione originale. Nel caso di un modello a molla, una funzione simile è svolta dalla forza elastica della molla. Passando la posizione di equilibrio, il carico ha una certa velocità, quindi, per inerzia, supera lo stato medio.
Le oscillazioni elettriche possono essere spiegate dalla differenza di potenziale che esiste tra le piastre di un condensatore carico. Anche quando è completamente scarica, la corrente non scompare, si ricarica.
La tecnologia moderna utilizza fluttuazioni che differiscono in modo significativo per natura, grado di ripetizione, natura e anche "meccanismo" di apparenza.
Le vibrazioni meccaniche sono fatte da corde di strumenti musicali, onde del mare, un pendolo. Le fluttuazioni chimiche associate a un cambiamento nella concentrazione dei reagenti vengono prese in considerazione durante lo svolgimento di varie interazioni.
Le oscillazioni elettromagnetiche consentono la creazione di vari dispositivi tecnici, come telefoni, dispositivi medici ad ultrasuoni.
Le fluttuazioni di luminosità delle Cefeidi sono di particolare interesse per l'astrofisica e scienziati di diversi paesi le stanno studiando.
Conclusione
Tutti i tipi di oscillazioni sono strettamente correlati a un numero enorme di processi tecnici e fenomeni fisici. La loro importanza pratica è grande nella costruzione di aeromobili, nella cantieristica navale, nella costruzione di complessi residenziali, nell'ingegneria elettrica, nella radioelettronica, nella medicina e nelle scienze fondamentali. Un esempio di un tipico processo oscillatorio inla fisiologia favorisce il movimento del muscolo cardiaco. Le vibrazioni meccaniche si trovano nella chimica organica e inorganica, nella meteorologia e in molte altre scienze naturali.
I primi studi sul pendolo matematico furono condotti nel diciassettesimo secolo e alla fine del diciannovesimo secolo gli scienziati furono in grado di stabilire la natura delle oscillazioni elettromagnetiche. Lo scienziato russo Alexander Popov, considerato il "padre" delle comunicazioni radio, ha condotto i suoi esperimenti proprio sulla base della teoria delle oscillazioni elettromagnetiche, i risultati delle ricerche di Thomson, Huygens e Rayleigh. Riuscì a trovare un'applicazione pratica per le oscillazioni elettromagnetiche, per usarle per trasmettere un segnale radio a lunga distanza.
L'accademico P. N. Lebedev per molti anni ha condotto esperimenti relativi alla produzione di oscillazioni elettromagnetiche ad alta frequenza utilizzando campi elettrici alternati. Grazie a numerosi esperimenti relativi a vari tipi di vibrazioni, gli scienziati sono riusciti a trovare aree per il loro utilizzo ottimale nella scienza e nella tecnologia moderne.
