Незатухающими колебаниями могут быть только те, которые совершаются под действием периодической внешней силы (вынужденные колебания). Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием. Возбуждение незатухающих электрических колебаний возможно с помощью других методов, но все они подобны описанному.
Свободные незатухающие колебания
Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление. Затухающие колебания — это колебания, амплитуда которых со временем уменьшается из-за внешней силы или трения, в то время как незатухающие колебания продолжаются неопределенно долго с постоянной амплитудой. Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах.
Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. незатухающие колебания, так как амплитуда и, следовательно, полная энергия колебаний не менялись. Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. Примером незатухающих колебаний может быть колебания маятника или электрическое колебание в резонансном контуре. Основным примером незатухающих колебаний являются механические колебания в форме маятников.
Механические колебания | теория по физике 🧲 колебания и волны
Радиотехника В радиопередатчиках незатухающие электромагнитные колебания генерируются с помощью электронных генераторов. Они используются для модуляции и передачи радиосигналов. Генераторы колебаний Существуют ламповые, транзисторные, кварцевые и другие типы генераторов для создания высокостабильных колебаний в радиотехнике. Передатчики В передатчиках колебания генератора модулируются информационным сигналом и излучаются антенной в виде радиоволн. Метрология Высокостабильные незатухающие колебания используются в квантовых эталонах частоты и времени. Квантовые стандарты частоты В качестве эталонов применяются атомные часы на основе квантовых переходов в атомах.
Эталоны времени Сверхстабильные генераторы с кварцевым резонатором обеспечивают точность хода эталонных часов. Медицина Незатухающие электрические колебания применяются в электрокардиографии для диагностики сердечной деятельности. Исследования незатухающих колебаний Изучение незатухающих колебаний имеет давнюю историю и продолжается по сей день. В XIX веке Максвелл разработал теорию электромагнитных колебаний. Галилей, Гюйгенс, Ньютон заложили основы исследования механических колебаний.
Максвелл, Герц экспериментально обнаружили и описали электромагнитные волны. В настоящее время ведутся работы по созданию сверхстабильных эталонов частоты, по применению незатухающих колебаний в нанотехнологиях. Разрабатываются оптические эталоны частоты на основе лазеров и атомных переходов. Изучаются колебания наномеханических резонаторов, применение их в сенсорике. Дальнейшие исследования незатухающих колебаний позволят расширить возможности науки и техники.
Колебания в окружающем мире Незатухающие колебания широко распространены в природе, быту, технике. Давайте рассмотрим некоторые примеры: Колебания в живой природе. В организмах постоянно происходят колебательные процессы - пульс, дыхание, электрическая активность мозга. Ритмические сокращения сердечной мышцы обеспечивают кровообращение. Вдохи и выдохи создают колебательные движения воздуха в легких.
Звуковые колебания.
Причины колебаний в разных системах Собственные незатухающие колебания — это, скорее, теоретическое явление. В разных системах и причины затухания колебания будут разными.
К примеру, в случае с механической это наличие трения, а в случае с электромагнитным контуром — потеря тепла в проводниках, которые формируют систему. Когда будут израсходована вся энергия, запасенная колебательной системой, завершатся и колебания. Амплитуда их движения будет снижаться и стремиться к нулю до тех пор, пока не достигнет этого показателя.
Затухающие колебания собственные и присутствующие в системах можно рассматривать с одной и той же позиции — общих качеств. Но при этом такие признаки как период и амплитуда нуждаются в переопределении, а прочие требуют дополнения и уточнения, если сравнивать их с аналогичными признаками собственных незатухающих колебаний. Общие характеристики затухающих колебаний — амплитуду затухающих колебаний определяет время; — их частота и период находятся в зависимости от степени затухания; — фаза и начальная фаза обладают тем же смыслом, что и в случае с незатухающими.
Как только тело или система выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Эта сила называется возвращающей, она всегда направлена к положению равновесия, происхождение ее различно: а для пружинного маятника - сила упругости; б для математического маятника - составляющая сила тяжести. Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.
Период таких колебаний практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, то есть определяется жёсткостью пружины и массой груза. Подобным же образом поддерживаются незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, питающимся от сети через понижающий трансформатор. Здесь периодические толчки создаются электромагнитом, притягивающим якорёк, укреплённый на молоточке. Якорь притягивается, и боёк, связанный с ним, ударяет по чашечке звонка. При притягивании якоря между ним и винтом 3 образуется зазор, ток прерывается, электромагнит обесточивается, и якорь силой пружины 4 возвращается в исходное положение. Цепь электромагнита при этом снова замыкается, и боёк ещё раз ударяет по чашечке. Так периодически повторяется работа звонка, пока кнопка К нажата.
Аналогично можно получить автоколебания со звуковыми частотами, возбудив незатухающие колебания камертона, если между ножками камертона поместить электромагнит 2. По катушке электромагнита проходит ток, намагничивая сердечник, который притягивает ножку камертона, поднимая её вверх. Цепь размыкается, и ножка камертона под действием силы тяжести опускается вниз. Цепь замыкается и далее всё повторяется. Электромеханические автоколебательные системы, подобные рассмотренным в технике применяются очень широко. Но есть и чисто механические колебательные устройства, например маятниковые часы. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2.
Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
Вот почему свободные колебания являются затухающими. Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля. Затраты имеют различный характер, зависящий от условий: преодоление сопротивления воздуха жидкости качающимся на пружине грузом, трение шариков в подшипнике о внутреннее и внешнее кольца. Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться.
Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение.
Предельный цикл. Устойчивость установившихся автоколебаний можно понять, рассматривая процесс выхода системы на предельный цикл, которому соответствует замкнутая фазовая траектория на рис. Если, например, отклонить осциллятор автоколебательной системы на небольшой угол и отпустить без начального толчка, выход фазовой траектории на предельный цикл будет происходить так, как показано на рис. Фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри.
Выход фазовой траектории на предельный цикл, соответствующий установившимся автоколебаниям Напротив, если начальное отклонение превышает значение установившейся амплитуды, фазовая траектория приближается к предельному циклу извне рис. Электромагнитные автоколебания. Действие генератора незатухающих электромагнитных колебаний аналогично рассмотренному механическому примеру автоколебательной системы. Схема такого генератора на транзисторе с колебательным контуром в цепи коллектора показана на рис. Роль заводной пружины, пополняющей энергию колебаний, играет постоянный источник энергии — батарея. Колебательный контур управляет этим источником через цепь обратной связи, содержащую индуктивно связанную с ним катушку включенную в цепь эмиттера.
Транзистор здесь играет роль вентиля, открывающего доступ энергии батареи в колебательный контур. Управление этим вентилем осуществляется подаваемым с катушки напряжением к переходу эмиттер—база. Благодаря этому отпирание транзистора происходит в нужные моменты времени, чтобы импульс тока от батареи пополнял энергию колебаний, компенсируя потери на сопротивлении катушки и проводов. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний на транзисторе Параметрический резонанс. Еще один способ возбуждения незатухающих колебаний, как отмечалось в начале этого параграфа, заключается в периодическом изменении какого-либо параметра колебательной системы. Пусть в колебательном контуре конденсатор устроен так, что можно изменять его емкость, например сближая или раздвигая пластины, и пусть в контуре уже существуют колебания небольшой амплитуды.
В тот момент, когда заряд на пластинах конденсатора максимален, раздвинем мгновенно пластины, немного уменьшив тем самым его емкость. При этом придется совершить некоторую работу, которая пойдет на увеличение электростатической энергии. В момент, когда ток в контуре максимален, а конденсатор полностью разряжен, сблизим пластины до прежнего расстояния. При этом никакой работы не совершается, и электромагнитная энергия контура остается прежней. Еще через четверть периода колебаний, когда заряд снова достигнет максимального значения в противоположной полярности , опять раздвинем пластины, добавив тем самым еще порцию энергии, и т. Таким образом, периодически изменяя емкость конденсатора в нужные моменты времени, можно добиться раскачки электромагнитных колебаний, если добавляемая за период энергия превосходит потери в контуре за то же время.
Радиотехника В радиопередатчиках незатухающие электромагнитные колебания генерируются с помощью электронных генераторов. Они используются для модуляции и передачи радиосигналов. Генераторы колебаний Существуют ламповые, транзисторные, кварцевые и другие типы генераторов для создания высокостабильных колебаний в радиотехнике.
Передатчики В передатчиках колебания генератора модулируются информационным сигналом и излучаются антенной в виде радиоволн. Метрология Высокостабильные незатухающие колебания используются в квантовых эталонах частоты и времени. Квантовые стандарты частоты В качестве эталонов применяются атомные часы на основе квантовых переходов в атомах.
Эталоны времени Сверхстабильные генераторы с кварцевым резонатором обеспечивают точность хода эталонных часов. Медицина Незатухающие электрические колебания применяются в электрокардиографии для диагностики сердечной деятельности. Исследования незатухающих колебаний Изучение незатухающих колебаний имеет давнюю историю и продолжается по сей день.
В XIX веке Максвелл разработал теорию электромагнитных колебаний. Галилей, Гюйгенс, Ньютон заложили основы исследования механических колебаний. Максвелл, Герц экспериментально обнаружили и описали электромагнитные волны.
В настоящее время ведутся работы по созданию сверхстабильных эталонов частоты, по применению незатухающих колебаний в нанотехнологиях. Разрабатываются оптические эталоны частоты на основе лазеров и атомных переходов. Изучаются колебания наномеханических резонаторов, применение их в сенсорике.
Дальнейшие исследования незатухающих колебаний позволят расширить возможности науки и техники. Колебания в окружающем мире Незатухающие колебания широко распространены в природе, быту, технике. Давайте рассмотрим некоторые примеры: Колебания в живой природе.
В организмах постоянно происходят колебательные процессы - пульс, дыхание, электрическая активность мозга. Ритмические сокращения сердечной мышцы обеспечивают кровообращение. Вдохи и выдохи создают колебательные движения воздуха в легких.
Звуковые колебания.
При толчке шарику сообщается кинетическая энергия, а при отклонении - потенциальная. Свободные колебания совершаются за счет первоначального запаса энергии.
Свободные незатухающие колебания Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. В противном случае первоначальный запас энергии будет расходоваться на ее преодоление, и размах колебаний будет уменьшаться. В качестве примера рассмотрим колебания тела, подвешенного на невесомой пружине, возникающие после того, как тело отклонили вниз, а затем отпустили рис.
Колебания тела на пружине Со стороны растянутой пружины на тело действует упругая сила F, пропорциональная величине смещения х: Постоянный множитель k называется жесткостью пружины и зависит от ее размеров и материала. Знак «-» указывает, что сила упругости всегда направлена в сторону, противоположную направлению смещения, то есть к положению равновесия. При отсутствии трения упругая сила 1.
Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
Источником энергии — поднятая вверх гиря или заведенная пружина. Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод. Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом. При каждом колебании маятника зубец ходового колеса толкает анкерную вилку в направлении движения маятника, передавая ему некоторую порцию энергии, которая компенсирует потери энергии на трение. Таким образом, потенциальная энергия гири или закрученной пружины постепенно, отдельными порциями передается маятнику. Механические автоколебательные системы широко распространены в окружающей нас жизни и в технике. Автоколебания совершают паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, электрические звонки, струны смычковых музыкальных инструментов, воздушные столбы в трубах духовых инструментов, голосовые связки при разговоре или пении и т.
При отсутствии трения свободные колебания, близкие к гармоническим, возникают также и в других системах: математический и физический маятники теория этих вопросов не рассматривается рис. Математический маятник - небольшое тело материальная точка , подвешенное на невесомой нити рис. Математический маятник а , физический маятник б Физический маятник - твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной горизонтальной оси.
На рисунке 1. Период колебаний физического маятника описывается формулой где J - момент инерции тела относительно оси, m - масса, h - расстояние между центром тяжести точка С и осью подвеса точка О. Момент инерции - это величина, зависящая от массы тела, его размеров и положения относительно оси вращения. Вычисляется момент инерции по специальным формулам. Гармонические колебания и их характеристики.
Благодаря ей колебания не затухают и могут противодействовать силам трения. Внешняя сила не обязательно должна быть постоянной.
С течением времени она может изменяться по разным законам. Определение 1 Установившиеся вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней силы.
Груз висит на пружине, нижний конец которой погружается при колебаниях этого пружинного маятника в чашечку со ртутью. Один полюс батареи присоединен к пружине наверху, а другой — к чашечке со ртутью. При опускании груза электрическая цепь замыкается и по пружине проходит ток.
Витки пружины благодаря магнитному полю тока начинают при этом притягиваться друг к другу, пружина сжимается, и груз получает толчок кверху. Тогда контакт разрывается, витки перестают стягиваться, груз опять опускается вниз, и весь процесс повторяется снова. Таким образом, колебание пружинного маятника, которое само по себе затухало бы, поддерживается периодическими толчками, обусловленными самим колебанием маятника. При каждом толчке батарея отдает порцию энергии, часть которой идет на подъем груза. Система сама управляет действующей на нее силой и регулирует поступление энергии из источника — батареи.
Колебания не затухают именно потому, что за каждый период от батареи отбирается как раз столько энергии, сколько расходуется за то же время на трение и другие потери. Что же касается периода этих незатухающих колебаний, то он практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, т. Автоколебания груза на пружине Подобным же образом возникают незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что в нем периодические толчки создаются отдельным электромагнитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке. Аналогичным путем можно получить автоколебания со звуковыми частотами, например возбудить незатухающие колебания камертона рис. Когда ножки камертона расходятся, замыкается контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток, и электромагнит стягивает ножки камертона.
Явление резонанса
Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля. Затраты имеют различный характер, зависящий от условий: преодоление сопротивления воздуха жидкости качающимся на пружине грузом, трение шариков в подшипнике о внутреннее и внешнее кольца. Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться. Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Они актуальны для упрощения решения практических задач: где не требуется высокая точность; поставленных с целью обучения школьников решать их; в системах, которые совершают много циклов до заметного снижения амплитуды.
В таблице приведены значения координаты груза х в различные моменты времени t. Выберите все верные утверждения о результатах этого опыта на основании данных, содержащихся в таблице. Абсолютная погрешность измерения координаты равна 0,1 см, времени — 0,05 с. Алгоритм решения: Проверить истинность утверждения 1.
Для этого необходимо установить зависимость ускорения тела, колеблющегося на пружине, от его координаты. Проверить истинность утверждения 2. Для этого необходимо установить зависимость кинетической энергии тела, колеблющегося на пружине, от его координаты. Проверить истинность утверждения 3. Для этого необходимо записать формулу, отображающую зависимость между силой, действующей на колеблющееся тело, и координатой этого тела. Затем найти модули силы для указанных значений времени и сравнить их. Проверить истинность утверждения 4. Для этого необходимо дать определение периоду колебаний, установить период колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 4. Проверить истинность утверждения 5.
Для этого необходимо дать определение частоте колебаний, установить частоту колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 5. Записать ответ в виде последовательности цифр, не разделенных знаками препинания и пробелами. Решение: Проверяем истинность утверждения 1, согласно которому в момент времени 1,50 с ускорение груза максимально. Ускорение груза, колеблющегося на горизонтальной пружине, можно выразить из 2 закона Ньютона учитываем, что на тело действует сила упругости : Отсюда ускорение равно: Отношение жесткости пружины к массе груза постоянно, так как эти величины не изменяются.
Эта величина зависит только от свойств колебательной системы в рассматриваемом случае - от массы тела и жесткости пружины. Амплитуда свободных колебаний определяется свойствами колебательной системы m, k и энергией, сообщенной ей в начальный момент времени. При отсутствии трения свободные колебания, близкие к гармоническим, возникают также и в других системах: математический и физический маятники теория этих вопросов не рассматривается рис. Математический маятник - небольшое тело материальная точка , подвешенное на невесомой нити рис. Математический маятник а , физический маятник б Физический маятник - твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной горизонтальной оси. На рисунке 1. Период колебаний физического маятника описывается формулой где J - момент инерции тела относительно оси, m - масса, h - расстояние между центром тяжести точка С и осью подвеса точка О. Момент инерции - это величина, зависящая от массы тела, его размеров и положения относительно оси вращения.
Амплитуда затухающих колебаний постоянно изменяется со временем. И убывает по экспоненциальному закону: 4. Время затухания время релаксации — величина, обратная коэффициенту затухания; время, в течение которого амплитуда уменьшается.
Свободные незатухающие колебания
Это такие колебания при которых они исчезают, поскольку энергия колебаний преобразуется в другие формы энергии. Незатухающими колебаниями могут быть только те, которые совершаются под действием периодической внешней силы (вынужденные колебания). Примеры незатухающих колебаний в природе 1. Плазменные колебания: В плазме, которая является четвертым состоянием вещества, происходят незатухающие колебания. Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение.