Dans la vie de tous les jours, une personne rencontre constamment des manifestations de mouvement oscillatoire. C'est le balancement du pendule dans l'horloge, les vibrations des ressorts automobiles et de la voiture entière. Même un tremblement de terre n'est rien d'autre que des vibrations de la croûte terrestre. Les immeubles de grande hauteur se balancent également sous de fortes rafales de vent. Essayons de comprendre comment la physique explique ce phénomène.
Pendule comme système oscillatoire
L'exemple le plus évident de mouvement oscillatoire est le pendule de l'horloge murale. Le passage du pendule du point le plus haut à gauche au point le plus haut à droite s'appelle son oscillation complète. La période d'une telle oscillation complète est appelée le périmètre. La fréquence d'oscillation est le nombre d'oscillations par seconde.
Pour étudier les oscillations, on utilise un simple pendule à fil, qui est fabriqué en accrochant une petite boule de métal à un fil. Si nous imaginons que la balle est un point matériel et que le fil n'a pas de masse absolueflexibilité et absence de friction, vous obtenez un pendule théorique, dit mathématique.
La période d'oscillation d'un tel pendule "idéal" peut être calculée à l'aide de la formule:
T=2π √ l / g, où l est la longueur du pendule, g est l'accélération de la chute libre.
La formule montre que la période d'oscillation du pendule ne dépend pas de sa masse et ne tient pas compte de l'angle de déviation par rapport à la position d'équilibre.
Transformation de l'énergie
Quel est le mécanisme des mouvements pendulaires, se répétant avec une certaine période jusqu'à l'infini, s'il n'y avait pas de forces de frottement et de résistance, pour surmonter un certain travail ?
Le pendule commence à osciller en raison de l'énergie qui lui est transmise. Au moment où le pendule est éloigné de la position verticale, nous lui donnons une certaine quantité d'énergie potentielle. Lorsque le pendule se déplace de son point le plus haut à sa position initiale, l'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique. Dans ce cas, la vitesse du pendule deviendra la plus grande, car la force donnant l'accélération diminue. Du fait que dans la position initiale la vitesse du pendule est la plus grande, il ne s'arrête pas, mais par inertie se déplace plus loin le long de l'arc de cercle jusqu'à exactement la même hauteur que celle d'où il est descendu. C'est ainsi que l'énergie est convertie pendant le mouvement oscillatoire du potentiel au cinétique.
La hauteur du pendule est égale à la hauteur de son abaissement. Galileo est arrivé à cette conclusion en menant une expérience avec un pendule, nommé plus tard en son honneur.
L'oscillation d'un pendule est un exemple incontestable de la loi de conservation de l'énergie. Et elles sont appelées vibrations harmoniques.
Onde sinusoïdale et phase
Qu'est-ce qu'un mouvement oscillatoire harmonique ? Pour voir le principe d'un tel mouvement, vous pouvez effectuer l'expérience suivante. Nous accrochons un entonnoir avec du sable sur la barre transversale. En dessous, nous plaçons une feuille de papier, qui peut être déplacée perpendiculairement aux fluctuations de l'entonnoir. Après avoir mis l'entonnoir en mouvement, nous déplaçons le papier.
Le résultat est une ligne ondulée écrite dans le sable - une sinusoïde. Ces oscillations, se produisant selon la loi du sinus, sont dites sinusoïdales ou harmoniques. Avec de telles fluctuations, toute quantité caractérisant le mouvement changera selon la loi du sinus ou du cosinus.
Après avoir examiné la sinusoïde formée sur le carton, on peut constater que le sable est une couche de sable dans ses différentes sections d'épaisseurs différentes: au sommet ou au creux de la sinusoïde, il était le plus densément empilé. Cela suggère qu'à ces points la vitesse du pendule était la plus petite, ou plutôt nulle, aux points où le pendule a inversé son mouvement.
Le concept de phase joue un rôle énorme dans l'étude des oscillations. Traduit en russe, ce mot signifie « manifestation ». En physique, une phase est une étape spécifique d'un processus périodique, c'est-à-dire l'endroit sur la sinusoïde où se trouve actuellement le pendule.
Hésitations en liberté
Si le système oscillatoire reçoit un mouvement puis s'arrêtel'influence de toutes les forces et énergies, alors les oscillations d'un tel système seront dites libres. Les oscillations du pendule, qui est laissé à lui-même, vont progressivement commencer à s'estomper, l'amplitude va diminuer. Le mouvement du pendule est non seulement variable (plus rapide en bas et plus lent en haut), mais également pas uniformément variable.
Dans les oscillations harmoniques, la force qui donne l'accélération du pendule s'affaiblit avec une diminution de l'écart par rapport au point d'équilibre. Il existe une relation proportionnelle entre la force et la distance de déviation. Par conséquent, de telles vibrations sont appelées harmoniques, dans lesquelles l'angle de déviation par rapport au point d'équilibre ne dépasse pas dix degrés.
Mouvement forcé et résonance
Pour une application pratique en ingénierie, les vibrations ne sont pas autorisées à se dégrader, conférant une force externe au système oscillant. Si le mouvement oscillatoire se produit sous influence extérieure, il est dit forcé. Les oscillations forcées se produisent à la fréquence à laquelle une influence externe les définit. La fréquence de la force externe agissante peut ou non coïncider avec la fréquence des oscillations naturelles du pendule. Lors de la coïncidence, l'amplitude des oscillations augmente. Un exemple d'une telle augmentation est un swing qui décolle plus haut si, pendant le mouvement, vous leur donnez une accélération, frappant le rythme de leur propre mouvement.
Ce phénomène en physique s'appelle la résonance et revêt une grande importance pour les applications pratiques. Par exemple, lors du réglage d'un récepteur radio sur l'onde souhaitée, il est mis en résonance avec la station radio correspondante. Le phénomène de résonance a aussi des conséquences négatives,conduisant à la destruction de bâtiments et de ponts.
Systèmes autonomes
Outre les vibrations forcées et libres, il existe également des auto-oscillations. Ils se produisent avec la fréquence du système oscillant lui-même lorsqu'il est exposé à une force constante plutôt qu'à une force variable. Un exemple d'auto-oscillations est une horloge, dont le mouvement du pendule est fourni et maintenu en déroulant le ressort ou en abaissant la charge. Lorsque vous jouez du violon, les vibrations naturelles des cordes coïncident avec la force résultant de l'influence de l'archet, et un son d'une certaine tonalité apparaît.
Les systèmes oscillants sont divers, et l'étude des processus qui s'y produisent dans des expériences pratiques est intéressante et instructive. L'application pratique du mouvement oscillatoire dans la vie quotidienne, la science et la technologie est variée et indispensable: des balançoires à la production de moteurs de fusée.
