Примерами систем, демонстрирующих незатухающие колебания, являются маятники, электрические контуры с индуктивностью и емкостью, а также атомы в молекулярных соединениях.
Явление резонанса
Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Приведи пример вариантов незатухающих колебаний Просмотров 43 Незатухающие колебания — это физический процесс, при котором система продолжает колебаться без потери энергии. Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии.
Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
Причины затухания могут быть разные. В механической системе к затуханию колебаний приводит наличие трения. В электромагнитном контуре к уменьшению энергии колебаний приводят тепловые потери в проводниках, образующих систему. Когда израсходуется вся энергия, запасенная в колебательной системе, колебания прекратятся. Поэтому амплитуда затухающих колебаний уменьшается, пока не станет равной нулю. Затухающие колебания, как и собственные, в системах, разных по своей природе, можно рассматривать с единой точки зрения — общих признаков. Однако, такие характеристики, как амплитуда и период, требуют переопределения, а другие — дополнения и уточнения по сравнению с такими же признаками для собственных незатухающих колебаний.
Общие признаки и понятия затухающих колебаний следующие: Дифференциальное уравнение должно быть получено с учетом убывания в процессе колебаний колебательной энергии. Уравнение колебаний — решение дифференциального уравнения. Амплитуда затухающих колебаний зависит от времени. Частота и период зависят от степени затухания колебаний.
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. 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.
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. Многие слова и устойчивые выражения, которые мы используем в повседневной жизни, основаны на физических явлениях и законах. Резонанс, инерция, энергия, напряжение и многие другие термины встречаются нам ежедневно, но знаем ли мы, что они на самом деле означают?
Пружинный маятник Пусть возвращающая сила в данном случае сила упругости см. Колебания пружинного маятника Запишем второй закон Ньютона для данной системы:. Мы договорились, что в данном случае действует только сила упругости. Итак, мы получаем:. Разделим это выражение на массу m и получим выражение для ускорения колеблющегося тела:. Записав это выражение для ускорения, мы вплотную приблизились к главной задаче механики для гармонических колебаний ведь сюда входит x, а мы знаем, что ускорение зависит от времени, то есть время сюда входит неявно. Решить такое уравнение строго математически мы пока не умеем, такие уравнения называются дифференциальными. Строгое решение такого уравнения мы запишем в 11 классе, а я отмечу тот факт, что решение будет выражаться периодическим законом — законом синуса или косинуса. 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:.
Ликбез: почему периодические колебания затухают
| Незатухающие колебания. Автоколебания | Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием. |
| Явление резонанса | Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко применяются в различных областях науки и техники. |
| 2.5. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания | Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания встречаются в различных физических системах и процессах. |
Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
| Что такое незатухающие колебания | Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление. |
| Механические колебания | теория по физике 🧲 колебания и волны | Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. |
| § 27. Незатухающие электромагнитные колебания | Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. |
| Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры | Незатухающие колебания широко используются в различных областях науки и техники. |
Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
| Механика - Затухающие и незатухающие колебания. Неинерциальные системы отсчета - YouTube | ударь по своему стоячему члену, вот пример колебаний которые затухают. |
| Что такое незатухающие колебания | Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление. |
Механические колебания | теория по физике 🧲 колебания и волны
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.
Для того чтобы вызвать колебания, нужно либо толкнуть шарик, либо, отведя в сторону, отпустить его. 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.
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. Частоту свободных колебаний определяют параметры системы.
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. 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.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2. Другим примером незатухающих колебаний является электромагнитные колебания, которые возникают в радиочастотных колебательных контурах. Это такие колебания при которых они исчезают, поскольку энергия колебаний преобразуется в другие формы энергии.
Явление резонанса
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. Контакт при этом размыкается, и далее следует повторение всего цикла. Автоколебания камертона Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю.
Знак «-» указывает, что сила упругости всегда направлена в сторону, противоположную направлению смещения, то есть к положению равновесия. При отсутствии трения упругая сила 1. Эту частоту называют собственной. Таким образом, свободные колебания при отсутствии трения являются гармоническими, если при отклонении от положения равновесия возникает упругая сила 1. Собственная круговая частота является основной характеристикой свободных гармонических колебаний.
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.
Если амплитуда колебаний вдруг станет больше, то возрастут и потери энергии за период, превысив поступление энергии. И наоборот, уменьшение амплитуды от установившегося значения приводит к превышению поступающей энергии над потерями на трение. Амплитуда начнет увеличиваться. 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.
Такие устройства называются автоколебательными системами. На рис. 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.
Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
В заключение отметим еще раз основные различия вынужденных колебаний и параметрического резонанса. Резонанс при вынужденных колебаниях возникает при со или с целым при возбуждении короткими толчками , но сами колебания существуют при любой частоте внешнего воздействия. В случае параметрического воздействия колебания возникают лишь при выполнении соотношения со Резонанс при вынужденных колебаниях вызывает любая, сколь угодно малая внешняя сила. Для возникновения параметрического резонанса амплитуда внешнего воздействия должна превышать некоторое пороговое значение. Чем они отличаются друг от друга? Какие элементы должна обязательно содержать автоколебательная система? Каковы их функции? Что такое обратная связь? От чего зависит их частота и амплитуда?
Докажите, что при любых начальных условиях в рассмотренной механической модели автоколебательной системы фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри или извне, нигде его не пересекая. Что будет, если переключить поменять местами концы одной из этих катушек? Релаксационные колебания. Во всех упоминавшихся выше примерах автоколебательных систем обязательным элементом являлся резонатор. Другими словами, в отсутствие обратной связи в этих системах возможны собственные затухающие колебания. При наличии обратной связи в них устанавливаются самоподдерживающиеся почти синусоидальные колебания. Частота таких колебаний задается резонатором. Но автоколебания могут происходить и в системах, не содержащих резонатора.
Колебания при этом, как правило, не являются гармоническими. Типичный пример релаксационных колебаний Типичными примерами таких систем могут служить генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе и гидравлическое устройство, показанное на рис. В сосуд, снабженный сифоном С, с постоянной скоростью натекает вода из крана К. Пока сифон не заполнен водой, уровень воды в сосуде растет со временем по линейному закону. Но как только уровень достигает высоты сифон срабатывает и уровень воды в сосуде падает до значения после чего сосуд снова начинает заполняться водой из крана.
Рассмотрим, какие механические колебания называются затухающими, какими свойствами обладают.
Наведём примеры таких явлений в природе, быту, промышленности. Определение и характеристики затухающих колебаний Затухающими называют колебания, энергия которых с течением времени постепенно снижается. Бесконечно длиться такой процесс не может из-за сопротивления — сил трения и прочих явлений, тормозящих движение, препятствующих ему. 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.
Маятник представляет собой тяжелое тело, закрепленное на нити или стержне и подвешенное к точке подвеса. Когда маятник отклоняется от своего равновесного положения и отпускается, он начинает колебаться вокруг этого положения. В идеальных условиях, без учета сопротивления воздуха и трений, колебания маятника будут незатухающими. 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.
В то время как в затухающих колебаниях большая часть энергии требует компенсации из-за потери мощности. Основные различия между затухающими и незатухающими колебаниями Основное различие между затухающими и незатухающими колебаниями состоит в том, что колебания, амплитуда которых с течением времени продолжает уменьшаться, являются затухающими колебаниями, а тип колебаний, амплитуда которых остается неизменной и постоянной во времени, — незатухающими колебаниями. Амплитуда, генерируемая волнами в затухающих, постепенно уменьшается, поэтому эти колебания не длятся долго и прекращаются в какой-то момент. В то время как в колебаниях, которые производят незатухающие колебания, нет потери мощности. Частота в затухающих колебаниях остается неизменной, а в незатухающих амплитуда во времени не меняется. Затухающие колебания со временем затухают, а незатухающие остаются прежними. Примером затухающего колебания может служить маятник, который качается с постоянной скоростью, колебание постепенно замедляется и через некоторое время прекращается. Примером незатухающих колебаний является детская пружина.
Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
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.
Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом.
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. Вычисляется момент инерции по специальным формулам.
В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания например, маятник настенных часов. Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести. Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника. На рис. Рисунок 2. Функциональная схема автоколебательной системы Примером механической автоколебательной системы может служить часовой механизм с анкерным ходом рис. Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей.
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.
Незатухающие колебания. Автоколебания
Примеры применения: Электроника: Незатухающие колебания используются в радиоэлектронике для создания точных частотных генераторов. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Примерами незатухающих колебаний могут служить колебания маятника или звуковой волны, распространяющейся в открытом пространстве. Незатухающими колебаниями называют гармонические колебания с постоянной амплитудой. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения.