Il existe différents types d'oscillations en physique, caractérisées par certains paramètres. Considérez leurs principales différences, la classification en fonction de différents facteurs.
Définitions de base
Sous fluctuation, on entend un processus dans lequel à intervalles réguliers les principales caractéristiques du mouvement ont les mêmes valeurs.
Les oscillations périodiques sont celles dans lesquelles les valeurs des grandeurs de base se répètent à intervalles réguliers (période d'oscillation).
Variétés de processus oscillatoires
Considérons les principaux types d'oscillations qui existent en physique fondamentale.
Les vibrations libres sont celles qui se produisent dans un système qui n'est pas soumis à des influences variables externes après le choc initial.
Un exemple d'oscillation libre est un pendule mathématique.
Ces types de vibrations mécaniques qui se produisent dans le système sous l'action d'une force externe variable.
Caractéristiques de la classification
Par nature physique, on distingue les types de mouvements oscillatoires suivants:
- mécanique;
- thermique;
- électromagnétique;
- mixte.
Selon l'option d'interaction avec l'environnement
Les types de fluctuations en interaction avec l'environnement sont divisés en plusieurs groupes.
Des oscillations forcées apparaissent dans le système sous l'action d'une action périodique externe. Comme exemples de ce type d'oscillation, on peut considérer le mouvement des mains, des feuilles sur les arbres.
Pour les oscillations harmoniques forcées, une résonance peut apparaître, dans laquelle, avec des valeurs égales de la fréquence de l'influence externe et de l'oscillateur, avec une forte augmentation de l'amplitude.
Vibrations propres dans le système sous l'influence des forces internes après qu'il soit sorti de l'équilibre. La version la plus simple des vibrations libres est le mouvement d'une charge suspendue à un fil ou attachée à un ressort.
Les auto-oscillations sont des types dans lesquels le système dispose d'une certaine quantité d'énergie potentielle utilisée pour faire des oscillations. Leur particularité est le fait que l'amplitude est caractérisée par les propriétés du système lui-même, et non par les conditions initiales.
Pour les fluctuations aléatoires, la charge externe a une valeur aléatoire.
Paramètres de base des mouvements oscillatoires
Tous les modes de vibration ont certaines caractéristiques qui doivent être mentionnées séparément.
L'amplitude est l'écart maximal par rapport à la position d'équilibre, l'écart d'une valeur fluctuante, elle est mesurée en mètres.
La période est le temps d'un swing complet, jusqu'àqui répète les caractéristiques du système, est calculé en secondes.
La fréquence est déterminée par le nombre d'oscillations par unité de temps, elle est inversement proportionnelle à la période d'oscillation.
La phase d'oscillation caractérise l'état du système.
Caractéristiques des oscillations harmoniques
De tels types d'oscillations se produisent selon la loi du cosinus ou du sinus. Fourier a réussi à établir que toute oscillation périodique peut être représentée comme une somme de changements harmoniques en développant une certaine fonction en une série de Fourier.
A titre d'exemple, considérons un pendule avec une certaine période et fréquence cyclique.
Qu'est-ce qui caractérise ces types de fluctuations ? La physique considère le pendule mathématique comme un système idéalisé, constitué d'un point matériel, suspendu à un fil inextensible en apesanteur, oscillant sous l'influence de la gravité.
Ces types de vibrations ont une certaine quantité d'énergie, elles sont courantes dans la nature et la technologie.
Avec un mouvement oscillatoire prolongé, la coordonnée de son centre de masse change, et avec un courant alternatif, la valeur du courant et de la tension dans le circuit change.
Il existe différents types d'oscillations harmoniques par nature physique: électromagnétique, mécanique, etc.
Le tremblement d'un véhicule qui se déplace sur une route accidentée agit comme une oscillation forcée.
Principales différences entre forcé et librefluctuations
Ces types d'oscillations électromagnétiques diffèrent par leurs caractéristiques physiques. La présence de forces de résistance et de frottement moyennes entraînent un amortissement des oscillations libres. Dans le cas d'oscillations forcées, les pertes d'énergie sont compensées par son alimentation supplémentaire à partir d'une source externe.
La période d'un pendule à ressort relie la masse du corps et la raideur du ressort. Dans le cas d'un pendule mathématique, cela dépend de la longueur du fil.
Avec une période connue, vous pouvez calculer la fréquence propre du système oscillatoire.
Dans la technologie et la nature, il existe des fluctuations avec différentes valeurs de fréquence. Par exemple, le pendule qui oscille dans la cathédrale Saint-Isaac de Saint-Pétersbourg a une fréquence de 0,05 Hz, alors que pour les atomes, elle est de plusieurs millions de mégahertz.
Après un certain temps, on observe un amortissement des oscillations libres. C'est pourquoi les oscillations forcées sont utilisées dans la pratique réelle. Ils sont en demande dans une variété de machines à vibrations. Le marteau vibrant est une machine à vibration conçue pour enfoncer des tuyaux, des pieux et d'autres structures métalliques dans le sol.
Oscillations électromagnétiques
La caractérisation des modes d'oscillation passe par l'analyse des principaux paramètres physiques: charge, tension, intensité du courant. En tant que système élémentaire, qui sert à observer les oscillations électromagnétiques, est un circuit oscillant. Il est formé en connectant une bobine et un condensateur en série.
Lorsque le circuit est fermé, la libération électromagnétiquefluctuations associées aux changements périodiques de la charge électrique sur le condensateur et du courant dans la bobine.
Ils sont gratuits car lorsqu'ils sont exécutés, il n'y a aucune influence extérieure, mais seule l'énergie stockée dans le circuit lui-même est utilisée.
Si nous considérons que la résistance de la bobine est nulle et prenons la période d'oscillation comme T, nous pouvons considérer une oscillation complète faite par le système.
En l'absence d'influence extérieure, après un certain laps de temps, l'amortissement de l'oscillation électromagnétique est observé. La raison de ce phénomène sera la décharge progressive du condensateur, ainsi que la résistance que la bobine a réellement.
C'est pourquoi des oscillations amorties se produisent dans un circuit réel. La réduction de la charge du condensateur entraîne une diminution de la valeur de l'énergie par rapport à sa valeur d'origine. Progressivement, il sera libéré sous forme de chaleur sur les fils de connexion et la bobine, le condensateur sera complètement déchargé et l'oscillation électromagnétique sera terminée.
L'importance des fluctuations de la science et de la technologie
Tous les mouvements qui ont un certain degré de répétition sont des oscillations. Par exemple, un pendule mathématique est caractérisé par une déviation systématique dans les deux sens par rapport à la position verticale d'origine.
Pour un pendule à ressort, un balancement complet correspond à son mouvement de haut en bas depuis la position initiale.
Dans un circuit électrique qui a une capacité et une inductance, il y a une répétition de charge surplaques de condensateur. Quelle est la cause des mouvements oscillatoires ? Le pendule fonctionne grâce au fait que la gravité le fait revenir à sa position d'origine. Dans le cas d'un modèle à ressort, une fonction similaire est réalisée par la force élastique du ressort. Passant la position d'équilibre, la charge a une certaine vitesse, donc, par inertie, elle dépasse l'état moyen.
Les oscillations électriques peuvent s'expliquer par la différence de potentiel qui existe entre les plaques d'un condensateur chargé. Même lorsqu'il est complètement déchargé, le courant ne disparaît pas, il se recharge.
La technologie moderne utilise des fluctuations qui diffèrent considérablement dans leur nature, leur degré de répétition, leur nature et aussi le « mécanisme » d'apparition.
Les vibrations mécaniques sont produites par des cordes d'instruments de musique, des vagues de la mer, un pendule. Les fluctuations chimiques associées à une modification de la concentration des réactifs sont prises en compte lors de la réalisation de diverses interactions.
Les oscillations électromagnétiques permettent la création de divers dispositifs techniques, tels que les téléphones, les dispositifs médicaux à ultrasons.
Les fluctuations de luminosité des céphéides présentent un intérêt particulier pour l'astrophysique, et des scientifiques de différents pays les étudient.
Conclusion
Tous les types d'oscillations sont étroitement liés à un grand nombre de processus techniques et de phénomènes physiques. Leur importance pratique est grande dans la construction aéronautique, la construction navale, la construction de complexes résidentiels, l'électrotechnique, la radioélectronique, la médecine et les sciences fondamentales. Un exemple de processus oscillatoire typique dansla physiologie favorise le mouvement du muscle cardiaque. Les vibrations mécaniques se retrouvent dans la chimie organique et inorganique, la météorologie et de nombreuses autres sciences naturelles.
Les premières études sur le pendule mathématique ont été menées au XVIIe siècle et, à la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont pu établir la nature des oscillations électromagnétiques. Le scientifique russe Alexander Popov, considéré comme le "père" des radiocommunications, a mené ses expériences précisément sur la base de la théorie des oscillations électromagnétiques, résultats des recherches de Thomson, Huygens et Rayleigh. Il a réussi à trouver une application pratique aux oscillations électromagnétiques, à les utiliser pour transmettre un signal radio sur une longue distance.
L'académicien P. N. Lebedev a mené pendant de nombreuses années des expériences liées à la production d'oscillations électromagnétiques à haute fréquence à l'aide de champs électriques alternatifs. Grâce à de nombreuses expériences liées à différents types de vibrations, les scientifiques ont réussi à trouver des domaines pour leur utilisation optimale dans la science et la technologie modernes.
