Примеры незатухающих колебаний в природе 1. Плазменные колебания: В плазме, которая является четвертым состоянием вещества, происходят незатухающие колебания. Колебания бывают незатухающими и затухающими.
Свободные незатухающие колебания
Частным случаем электромагнитных колебаний являются незатухающие колебания. Незатухающие колебания Колебания, амплитуда которых не убывает со временем, а остается постоянной. Возбуждение незатухающих электрических колебаний Для возбуждения и поддержания незатухающих электрических колебаний к контуру следует все время подводить энергию от внешнего источника, которая компенсировала бы потери энергии на теплоту и электромагнитное излучение. Для этого можно применить триод. На рис. В анодное круг триода включен последовательно колебательному контуру, батарее Ба, в цепи сетки — катушка Lc, связанная индуктивно с катушкой L колебательного контура.
Далее конденсатор разряжается через катушку индуктивности, а в контуре, возникнут синусоидальные электрические колебания.
Рассмотрим их подробнее. Автоколебания При автоколебаниях энергия поступает от внешнего источника и пополняет потери осциллятора за счет обратной связи. Пример - маятниковые часы. Параметрический резонанс При параметрическом резонансе параметр осциллятора периодически изменяется, вызывая рост амплитуды колебаний. Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодической силы, компенсирующей потери энергии. Автоколебания Автоколебания обеспечивают поддержание незатухающих колебаний за счет обратной связи в системе.
Рассмотрим несколько примеров автоколебательных систем. Маятниковые часы В маятниковых часах маятник связан через кинематическую цепь с заводным механизмом. При опускании маятника он получает импульс энергии от пружины, компенсирующий потери. Генератор на электронной лампе В электронных генераторах лампа усиливает колебания контура, восполняя омические потери в нем. Лазер В лазере обратная связь оптического резонатора поддерживает когерентное излучение активной среды. Параметрический резонанс При параметрическом резонансе параметр системы жесткость, емкость меняется периодически. Это приводит к накачке энергии в колебательную систему.
Параметрический резонанс в механических системах Если периодически изменять длину маятника или жесткость пружины, можно поддерживать рост амплитуды колебаний. Параметрический резонанс в электрических цепях При модуляции емкости конденсатора в контуре возникает параметрический резонанс. Вынужденные колебания Вынужденные колебания возникают в осцилляторе под действием внешней периодической силы. Пример - действие переменного тока на якорь в звонке. Практическое применение незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры. 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.
Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо. Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре.
А как можно повлиять на величину М? Оказывается, она увеличится, если намотать побольше витков в дополнительной катушке или если эту катушку расположить поближе к катушке контура. Нужно сказать, что достаточный для генерации коэффициент М на практике получить довольно просто. Лучше выбрать эту величину с некоторым запасом — при этом получится контур не только без потерь, но даже с подкачкой энергии от внешнего источника с «отрицательными» потерями. При включении генератора амплитуда колебаний сначала будет возрастать, но через некоторое время установится — энергия, поступающая в контур за один период, станет равной потерям энергии за то же время.
И действительно, при увеличении амплитуды напряжения на конденсаторе управляющее напряжение полевого транзистора транзистор начинает усиливать хуже, поскольку при большом отрицательном напряжении ток в цепи канала прекращается, а при положительных напряжениях переход начинает открываться, что тоже увеличивает потери в контуре. В результате колебания получаются не совсем синусоидальными, но, если потери в контуре невелики, искажения незначительны. Для того чтобы использовать полученные колебания — а ведь именно для этого и делается генератор,— нужно либо подключиться непосредственно к контуру, либо намотать еще одну катушку.
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. Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени, то есть колебания - периодические изменения какой-либо величины. В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания. В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные или собственные колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.
Колебания называются периодическими, если значения всех физических величин, изменяющихся при колебаниях системы, повторяются через равные промежутки времени.
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
| 3. Затухающие колебания. Колебания. Физика. Курс лекций | Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами. |
| Ликбез: почему периодические колебания затухают | Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. |
Ликбез: почему периодические колебания затухают
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.
Как же это сделать, не разрывая цепь? Проще всего воспользоваться магнитным полем — создать дополнительный магнитный поток, пронизывающий витки катушки контура. Для этого неподалеку от этой катушки нужно разместить еще одну катушку рис. Вся эта длинная фраза, напоминающая «дом, который построил Джек»,— просто пересказ известного вам закона Фарадея для явления электромагнитной индукции. Понятно, что для него необходим источник энергии для пополнения потерь энергии в контуре и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства — электронную лампу или транзистор. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами — их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод — затвор — управляющего напряжения рис. В полевом транзисторе с управляющим p—n-переходом — а мы дальше будем говорить именно о нем — затвор отделен от канала именно таким переходом, для чего область затвора делается противоположного по отношению к каналу типа проводимости. Например, если канал имеет примесную проводимость типа p, то затвор — типа n, и наоборот. Зависимость эта почти такая же, как и у электронной лампы триода. Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо.
Работа внешней силы, которая обеспечивает колебательную систему энергией, при этом является положительной. 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.
В идеальном случае, без учета потери энергии на сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы. Такая система может представлять собой маятник, пружинный маятник или массу на наклонной плоскости. Когда система отклоняется от равновесия и отпускается, она начинает колебаться вокруг своего равновесного положения. В идеальных условиях, без учета потери энергии на трении и сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания. Электромагнитное поле может колебаться вокруг своего равновесного состояния, как, например, в случае электромагнитных волн. Электромагнитные волны могут быть представлены, например, световыми волнами, радиоволнами или микроволнами.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Еще одним примером незатухающих колебаний является колебательный контур. Колебательный контур состоит из индуктивности, емкости и сопротивления. Когда энергия подается в такой контур, например, при подключении источника переменного тока, происходят колебания заряда и тока в контуре. В идеальном случае, без учета потери энергии на сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы. Такая система может представлять собой маятник, пружинный маятник или массу на наклонной плоскости. Когда система отклоняется от равновесия и отпускается, она начинает колебаться вокруг своего равновесного положения. В идеальных условиях, без учета потери энергии на трении и сопротивлении, колебания будут незатухающими.
Большую роль в этом играет форма инструмента. Звук, который издает струна, попадает внутрь корпуса и вступает там в резонанс со стенками, что в итоге многократно усиливает его. Грушевидная форма гитары, определенная длина флейты, форма барабана не являются результатом случайного выбора — с древних времен, путем проб и экспериментов, именно это строение каждого инструмента было выбрано из-за наилучшего акустического резонанса. Характеристики струны также влияют на этот показатель: акустический резонанс зависит от длины, массы и силы натяжения струны. Формула для расчета частоты резонанса в акустике: где — сила натяжения, — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны. Акустический резонанс играет большую роль и для нашего слуха. Благодаря нему наружное ухо усиливает звуки средней частоты, составляющие основную часть спектра речи, а также различает высоту звука и его тембр. Полезно знать Сегодня мы затронули понятие общественного и когнитивного резонанса, но не объяснили значение этих выражений. Общественный резонанс — событие, на которое общество дает яркий отклик. Когнитивный резонанс — полное совпадение во взглядах и мнениях.
Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см. Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:. Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:. Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент. Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения. Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически? Это можно сделать двумя способами. Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его. Вспомните, например, как вы раскачиваете качели: либо толкнуть их, либо вывести их из положения равновесия и отпустить. Естественно, можно вывести их из положения равновесия и сообщить некий импульс. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания Свободные колебания могут совершаться за счет первоначального запаса энергии. Вернемся к предыдущим рассуждениям: в первом примере, который мы приводили, это была первоначальная энергия грузика, мы выводили его из положения равновесия, а потом отпускали. А во втором случае этот первоначальный запас энергии — это кинетическая энергия в случае, когда мы толкали грузик. Согласно закону сохранения энергии в обоих случаях сумма кинетической и потенциальной энергий маятника должна оставаться неизменной с течением времени. То есть, какое бы промежуточное значение маятника мы бы ни рассмотрели, в любой из них эта сумма равна начальной энергии маятника см. Иллюстрация закона сохранения энергии Однако на самом деле мы понимаем, что маятников, которые могли бы совершать колебания довольно долго, не существует — это какая-то абстракция.
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.
Механические колебания | теория по физике 🧲 колебания и волны
незатухающие колебания, так как амплитуда и, следовательно, полная энергия колебаний не менялись. Уравнение незатухающих колебаний Незатухающие колебания являются одним из видов колебаний, при которых отсутствует потеря энергии со временем. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания — это колебания системы, которые продолжаются вечно без потери энергии. Примеры автоколебаний Незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; Колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка. Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер якорек с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменена пружиной, а маятник — балансиром — маховичком, скрепленным со спиральной пружиной. Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир. 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.
А сейчас только обсудим, к какому результату приводит такое вот решение главной задачи для гармонических колебаний. Обратите внимание, что у нас ускорение зависит от координаты x и в этой зависимости есть некоторая величина. Так вот это отношение равно квадрату угловой частоты колебания системы:. Это доказательство мы получим в 11 классе. Таким образом, если нам при решении задачи удается представить второй закон Ньютона в виде , то мы автоматически узнаем угловую частоту колебаний, а, зная угловую частоту, мы можем вычислить линейную частоту или период колебаний:. Только что мы получили выражение для угловой частоты пружинного маятника, аналогичным образом можно получить выражение для угловой частоты математического маятника, естественно, там роль этого коэффициента будут выполнять другие величины.
Об этом вы узнаете, если посмотрите ответвление к уроку. Зависимость E t при свободных колебаниях Вы уже знаете, что энергия во время колебаний непрерывно меняется: кинетическая переходит в потенциальную и наоборот. Логично, что так же, как и координата, скорость, и ускорение, энергия будет меняться по гармоническому закону. Убедимся в этом. Давайте рассмотрим превращение колебаний на примере математического маятника, но расчеты будем вести для пружинного маятника — в данном случае это проще. Итак, как же происходит превращение энергии при колебаниях маятника?
В верхней точке максимальна потенциальная энергия, а кинетическая равна 0 см. Верхняя точка математического маятника Когда отпустим маятник, он начнет колебаться. Рассмотрим маятник, когда он проходит положение равновесия: здесь кинетическая максимальная, а потенциальная 0. Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см.
Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:. Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:. Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент.
Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения. Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими.
Главная причина состоит в потере энергии колебательной системой. Условия возникновения свободных колебаний Чтобы возникли свободные колебания, необходимо вывести систему из равновесия, обеспечить при отклонениях действие силы, стремящейся вернуть систему в исходное состояние. При этом потери в системе должны быть минимальны, поскольку только при соблюдении этого условия возвращающая систему в состояние равновесия энергия будет теряться медленно. Свободные колебания — это раскачивающийся маятник, часовой балансир, скачущий мяч, звенящая струна.
В зависимости от того, полезны или вредны колебания, для их усиления или ослабления принимают соответствующие меры. Так, в случае с часовым маятником снижают потери, а с деталями и агрегатами механизмов и устройств используют специальные элементы — демпферы и амортизаторы. Причины колебаний в разных системах Собственные незатухающие колебания — это, скорее, теоретическое явление. В разных системах и причины затухания колебания будут разными.
Дифференциальное уравнение получено с учетом убывания в процессе колебаний колебательной энергии. Уравнение колебаний — это решение дифференциального уравнения.
Амплитуда зависит от времени. Частота и период зависят от степени затухания колебаний.
Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника. Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами. Примеры незатухающих колебаний в реальной жизни Незатухающие колебания встречаются во множестве различных систем и ситуаций в реальной жизни. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний.
Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
Примеры автоколебаний Незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; Колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка. Возбуждение незатухающих электрических колебаний возможно с помощью других методов, но все они подобны описанному. Распространенным примером незатухающих колебаний являются волны переменного тока или напряжения, качающийся маятник в вакууме и т.д. Незатухающими колебаниями называют гармонические колебания с постоянной амплитудой.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Пружинный маятник - материальная точка массой m, подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы. Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника.
Понятно, что для него необходим источник энергии для пополнения потерь энергии в контуре и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства — электронную лампу или транзистор. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами — их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод — затвор — управляющего напряжения рис. В полевом транзисторе с управляющим p—n-переходом — а мы дальше будем говорить именно о нем — затвор отделен от канала именно таким переходом, для чего область затвора делается противоположного по отношению к каналу типа проводимости.
Например, если канал имеет примесную проводимость типа p, то затвор — типа n, и наоборот. Зависимость эта почти такая же, как и у электронной лампы триода. Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо. Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре. А как можно повлиять на величину М?
Оказывается, она увеличится, если намотать побольше витков в дополнительной катушке или если эту катушку расположить поближе к катушке контура.
Уравнение затухающих колебаний есть решение такого дифференциального уравнения:. В приложении 1 показано получение решения дифференциального уравнения затухающих колебаний методом замены переменных. Частота затухающих колебаний: физический смысл имеет только вещественный корень, поэтому.
Период затухающих колебаний:. Смысл, который вкладывался в понятие периода для незатухающих колебаний, не подходит для затухающих колебаний, так как колебательная система никогда не возвращается в исходное состояние из-за потерь колебательной энергии. При наличии трения колебания идут медленнее:. Периодом затухающих колебаний называется минимальный промежуток времени, за который система проходит дважды положение равновесия в одном направлении.
Для механической системы пружинного маятника имеем: , , для пружинного маятника. Поэтому определение для амплитуды, данное ранее для незатухающих свободных колебаний, для затухающих колебаний надо изменить. При небольших затуханиях амплитудой затухающих колебаний называется наибольшее отклонение от положения равновесия за период. Графики зависимости смещения от времени и амплитуды от времени представлены на Рисунках 3.
Сюда можно отнести наш пример с качелями, а еще раскачивание и обрушение моста под действием ветра. Существует историческое подтверждение этому явлению: 7 ноября 1940 года двухкилометровый Такомский мост в США полностью обрушился. Порывы ветра отклоняли мост в одну сторону, создавая колебания, которые не могло погасить сопротивление воздуха, и из-за упругости конструкции движение по ветру начиналось вновь и вновь. В конечном итоге амплитуда движения стала настолько большой, что мост не выдержал и рухнул. Механический резонанс очень часто возникает во время строительства, когда частота колебаний частей объекта совпадает с частотой внешних сил ветра, рабочих инструментов , поэтому инженеры и строители бдительно следят за этими показателями. Амплитуда достигает максимального значения на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие системы уравновешены, и энергии могут свободно циркулировать между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Магнитное поле индуктивного элемента порождает электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в катушке. Этот процесс способен повторяться многократно. Более подробно об этих явлениях вы можете прочитать в нашей статье «Колебательный контур».
Условие возникновения резонанса в электрической цепи можно выразить формулой где — индуктивность катушки, — ёмкость конденсатора.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания встречаются в различных системах и процессах. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний.