Что такое скорость колебаний

Механические колебания и волны

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Механические колебания – периодически повторяющееся перемещение материальной точки, при котором она движется по какой-либо траектории поочередно в двух противоположных направлениях относительно положения устойчивого равновесия.

Отличительными признаками колебательного движения являются:

Для существования механических колебаний необходимо:

Механические волны – это процесс распространения колебаний в упругой среде.

Виды волн

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Поперечная волна представляет собой чередование горбов и впадин.
Поперечные волны возникают вследствие сдвига слоев среды относительно друг друга, поэтому они распространяются в твердых телах.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Продольная волна представляет собой чередование областей уплотнения и разряжения.
Продольные волны возникают из-за сжатия и разряжения среды, поэтому они могут возникать в жидких, твердых и газообразных средах.

Важно!
Механические волны не переносят вещество среды. Они переносят энергию, которая складывается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии ее упругой деформации.

Гармонические колебания

Гармонические колебания – простейшие периодические колебания, при которых координата тела меняется по закону синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( x \) ​ – координата тела – смещение тела от положения равновесия в данный момент времени; ​ \( A \) ​ – амплитуда колебаний; ​ \( \omega t+\varphi_0 \) ​ – фаза колебаний; ​ \( \omega \) ​ – циклическая частота; ​ \( \varphi_0 \) ​ – начальная фаза.

Если в начальный момент времени тело проходит положение равновесия, то колебания являются синусоидальными.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Если в начальный момент времени смещение тела совпадает с максимальным отклонением от положения равновесия, то колебания являются косинусоидальными.

Скорость гармонических колебаний
Скорость гармонических колебаний есть первая производная координаты по времени:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( v \) ​ – мгновенное значение скорости, т. е. скорость в данный момент времени.

Амплитуда скорости – максимальное значение скорости колебаний, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Ускорение гармонических колебаний
Ускорение гармонических колебаний есть первая производная скорости по времени:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( a \) ​ – мгновенное значение ускорения, т. е. ускорение в данный момент времени.

Амплитуда ускорения – максимальное значение ускорения, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Если тело совершает гармонические колебания, то сила, действующая на тело, тоже изменяется по гармоническому закону:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( F \) ​ – мгновенное значение силы, действующей на тело, т. е. сила в данный момент времени.

Амплитуда силы – максимальное значение силы, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Тело, совершающее гармонические колебания, обладает кинетической или потенциальной энергией:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( W_k \) ​ – мгновенное значение кинетической энергии, т. е. кинетическая энергия в данный момент времени.

Амплитуда кинетической энергии – максимальное значение кинетической энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

При гармонических колебаниях каждую четверть периода происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
В положении равновесия:

При максимальном отклонении от положения равновесия:

Полная механическая энергия гармонических колебаний
При гармонических колебаниях полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий в данный момент времени:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Важно!
Следует помнить, что период колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза меньше, чем период колебаний координаты, скорости, ускорения и силы. А частота колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза больше, чем частота колебаний координаты, скорости, ускорения и силы.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Графики зависимости кинетической, потенциальной и полной энергий всегда лежат выше оси времени.

Если сила сопротивления отсутствует, то полная энергия сохраняется. График зависимости полной энергии от времени есть прямая, параллельная оси времени (в отсутствие сил трения).

Амплитуда и фаза колебаний

Амплитуда колебаний – модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия.
Обозначение – ​ \( A\, (X_) \) ​, единицы измерения – м.

Фаза колебаний – это величина, которая определяет состояние колебательной системы в любой момент времени.
Обозначение – ​ \( \varphi \) ​, единицы измерения – рад (радиан).

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Фаза колебаний – это величина, стоящая под знаком синуса или косинуса. Она показывает, какая часть периода прошла от начала колебаний.
Фаза гармонических колебаний в процессе колебаний изменяется.
​ \( \varphi_0 \) ​ – начальная фаза колебаний.
Начальная фаза колебаний – величина, которая определяет положение тела в начальный момент времени.

Важно!
Путь, пройденный телом за одно полное колебание, равен четырем амплитудам.

Период колебаний

Период колебаний – это время одного полного колебания.
Обозначение – ​ \( T \) ​, единицы измерения – с.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период гармонических колебаний – постоянная величина.

Частота колебаний

1 Гц – это частота такого колебательного движения, при котором за каждую секунду совершается одно полное колебание:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период и частота колебаний – взаимно обратные величины:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Циклическая частота – это число колебаний за 2π секунд.
Обозначение – ​ \( \omega \) ​, единицы измерения – рад/с.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Свободные колебания (математический и пружинный маятники)

Свободные колебания – колебания, которые совершает тело под действием внутренних сил системы за счет начального запаса энергии после того как его вывели из положения устойчивого равновесия.

Условия возникновения свободных колебаний:

При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.

Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Частота колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Циклическая частота колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение скорости колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение ускорения колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вверх с ускорением или вниз с замедлением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вниз с ускорением или вверх с замедлением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период свободных колебаний математического маятника, горизонтально с ускорением или замедлением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Мгновенное значение потенциальной энергии математического маятника, поднявшегося в процессе колебаний на высоту ​ \( h \) ​, определяется по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где ​ \( l \) ​ – длина нити, ​ \( \alpha \) ​ – угол отклонения от вертикали.

Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль вертикальной или горизонтальной оси под действием силы упругости пружины.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Частота колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Циклическая частота колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение скорости колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение ускорения колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Мгновенную потенциальную энергию пружинного маятника можно найти по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Амплитуда потенциальной энергии – максимальное значение потенциальной энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Важно!
Если маятник не является ни пружинным, ни математическим (физический маятник), то его циклическую частоту, период и частоту колебаний по формулам, применимым к математическому и пружинному маятнику, рассчитать нельзя. В данном случае эти величины рассчитываются из формулы силы, действующей на маятник, или из формул энергий.

Вынужденные колебания

Вынужденные колебания – это колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Вынужденные колебания, происходящие под действием гармонически изменяющейся внешней силы, тоже являются гармоническими и незатухающими. Их частота равна частоте внешней силы и называется частотой вынужденных колебаний.

Резонанс

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний, которое происходит при совпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

​ \( v_0 \) ​ – собственная частота колебаний маятника.

На рисунке изображены резонансные кривые для сред с разным трением. Чем меньше трение, тем выше и острее резонансная кривая.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Явление резонанса учитывается при периодически изменяющихся нагрузках в машинах и различных сооружениях.
Также резонанс используется в акустике, радиотехнике и т. д.

Длина волны

Длина волны – это расстояние, на которое волна распространяется за один период, т. е. это кратчайшее расстояние между двумя точками среды, колеблющимися в одинаковых фазах.
Обозначение – ​ \( \lambda \) ​, единицы измерения – м.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Расстояние между соседними гребнями или впадинами в поперечной волне и между соседними сгущениями или разряжениями в продольной волне равно длине волны.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Скорость распространения волны – это скорость перемещения горбов и впадин в поперечной волне и сгущений или разряжений в продольной волне.

Звук – это колебания упругой среды, воспринимаемые органом слуха.

Условия, необходимые для возникновения и ощущения звука:

Звуковые волны – это упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука, представляющие собой зоны сжатия и разряжения, передающиеся на расстояние с течением времени.

Классификация звуковых волн:

Скорость звука – это скорость распространения фазы колебания, т. е. области сжатия и разряжения среды.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Скорость звука зависит

в воздухе – 331 м/с, в воде – 1400 м/с, в металле – 5000 м/с;

в воздухе при температуре 0°С – 331 м/с,
в воздухе при температуре +15°С – 340 м/с.

Характеристики звуковой волны

Музыкальный звук – это звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом. Каждому музыкальному тону соответствует определенная длина и частота звуковой волны.
Шум – хаотическая смесь тонов.

Источник

Что такое скорость колебаний

В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. Колебаниями называют изменения физической величины, происходящие по определенному закону во времени. Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения.

Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно через одинаковые промежутки времени. Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине или математический маятник. Для существования в системе гармонических колебаний необходимо, чтобы у нее было положение устойчивого равновесия, то есть такое положение, при выведении из которого на систему начала бы действовать возвращающая сила.

Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными. Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями. Колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил, называются вынужденными.

Простейшим видом колебательного процесса являются колебания, происходящие по закону синуса или косинуса, называемые гармоническими колебаниями. Уравнение описывающее физические системы способные совершать гармонические колебания с циклической частотой ω0 задаётся следующим образом:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Решение предыдущего уравнения является уравнением движения для гармонических колебаний, которое имеет вид:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где: x – смещение тела от положение равновесия, A – амплитуда колебаний, то есть максимальное смещение от положения равновесия, ω – циклическая или круговая частота колебаний (ω = 2Π/T), t – время. Величина, стоящая под знаком косинуса: φ = ωt + φ0, называется фазой гармонического процесса. Смысл фазы колебаний: стадия, в которой колебание находится в данный момент времени. При t = 0 получаем, что φ = φ0, поэтому φ0 называют начальной фазой (то есть той стадией, из которой начиналось колебание).

Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T. Если же количество колебаний N, а их время t, то период находится как:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Частота колебаний ν показывает, сколько колебаний совершается за 1 с. Единица частоты – Герц (Гц). Частота колебаний связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Зависимость скорости от времени при гармонических механических колебаниях выражается следующей формулой:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение скорости при гармонических механических колебаниях:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальные по модулю значения скорости υm = ωA достигаются в те моменты времени, когда тело проходит через положения равновесия (x = 0). Аналогичным образом определяется ускорение a = ax тела при гармонических колебаниях. Зависимость ускорения от времени при гармонических механических колебаниях:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение ускорения при механических гармонических колебаниях:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Знак минус в предыдущем выражении означает, что ускорение a(t) всегда имеет знак, противоположный знаку смещения x(t), и, следовательно, возвращает тело в начальное положение (x = 0), т.е. заставляет тело совершать гармонические колебания.

Следует обратить внимание на то, что:

Чтобы определить, когда в уравнение колебаний подставлять синус, а когда косинус, нужно обратить внимание на следующие факторы:

Математический маятник

Математическим маятником называют тело небольших размеров, подвешенное на тонкой, длинной и нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массой тела. Только в случае малых колебаний математический маятник является гармоническим осциллятором, то есть системой, способной совершать гармонические (по закону sin или cos) колебания. Практически такое приближение справедливо для углов порядка 5–10°. Колебания маятника при больших амплитудах не являются гармоническими.

Циклическая частота колебаний математического маятника рассчитывается по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период колебаний математического маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Полученная формула называется формулой Гюйгенса и выполняется, когда точка подвеса маятника неподвижна. Важно запомнить, что период малых колебаний математического маятника не зависит от амплитуды колебаний. Такое свойство маятника называется изохронностью. Как и для любой другой системы, совершающей механические гармонические колебания, для математического маятника выполняются следующие соотношения:

Пружинный маятник

Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы после того, как система была выведена из положения равновесия. Для того, чтобы свободные колебания совершались по гармоническому закону, необходимо, чтобы сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия, была пропорциональна смещению тела из положения равновесия и направлена в сторону, противоположную смещению. Таким свойством обладает сила упругости.

Таким образом, груз некоторой массы m, прикрепленный к пружине жесткости k, второй конец которой закреплен неподвижно, составляют систему, способную совершать в отсутствие трения свободные гармонические колебания. Груз на пружине называют пружинным маятником.

Циклическая частота колебаний пружинного маятника рассчитывается по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период колебаний пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

При малых амплитудах период колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды (как и у математического маятника). При горизонтальном расположении системы пружина–груз сила тяжести, приложенная к грузу, компенсируется силой реакции опоры. Если же груз подвешен на пружине, то сила тяжести направлена по линии движения груза. В положении равновесия пружина растянута на величину x0, равную:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

А колебания совершаются около этого нового положения равновесия. Приведенные выше выражения для собственной частоты ω0 и периода колебаний T справедливы и в этом случае. Таким образом, полученная формула для периода колебаний груза на пружине остается справедливой во всех случаях, независимо от направления колебаний, движения опоры, действия внешних постоянных сил.

При свободных механических колебаниях кинетическая и потенциальная энергии периодически изменяются. При максимальном отклонении тела от положения равновесия его скорость, а, следовательно, и кинетическая энергия обращаются в нуль. В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на пружине потенциальная энергия – это энергия упругой деформации пружины. Для математического маятника – это энергия в поле тяготения Земли.

Когда тело при своем движении проходит через положение равновесия, его скорость максимальна. Тело проскакивает положение равновесия по инерции. В этот момент оно обладает максимальной кинетической и минимальной потенциальной энергией (как правило, потенциальную энергию в положении равновесия полагают равной нулю). Увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии. При дальнейшем движении начинает увеличиваться потенциальная энергия за счет убыли кинетической энергии и так далее.

Таким образом, при гармонических колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Если в колебательной системе отсутствует трение, то полная механическая энергия при свободных колебаниях остается неизменной. При этом, максимальное значение кинетической энергии при механических гармонических колебаниях задаётся формулой:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение потенциальной энергии при механических гармонических колебаниях пружинного маятника:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Взаимосвязь энергетических характеристик механического колебательного процесса (полная механическая энергия равна максимальным значениям кинетической и потенциальной энергий, а также сумме кинетической и потенциальной энергий в произвольный момент времени):

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Механические волны

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в среде называется волной.

Механические волны бывают разных видов. Если при распространении волны частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, такая волна называется поперечной. Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такая волна называется продольной.

Как в поперечных, так и в продольных волнах не происходит переноса вещества в направлении распространения волны. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.

Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют немеханические волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые, т.е. электромагнитные волны могут распространяться в вакууме).

Значительный интерес для практики представляют простые гармонические или синусоидальные волны. Они характеризуются амплитудой A колебания частиц, частотой ν и длиной волны λ. Синусоидальные волны распространяются в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ.

Длиной волны λ называют расстояние между двумя соседними точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Расстояние, равное длине волны λ, волна пробегает за время равное периоду T, следовательно, длина волны может быть рассчитана по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где: υ – скорость распространения волны. При переходе волны из одной среды в другую длина волны и скорость ее распространения меняются. Неизменными остаются только частота и период волны.

Разность фаз колебаний двух точек волны, расстояние между которыми l рассчитывается по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Электрический контур

В электрических цепях, так же, как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания. Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является последовательный LC-контур. В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре являются гармоническими. Энергетические характеристики и их взаимосвязь при колебаниях в электрическом контуре:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Период гармонических колебаний в электрическом колебательном контуре определяется по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Циклическая частота колебаний в электрическом колебательном контуре:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Зависимость заряда на конденсаторе от времени при колебаниях в электрическом контуре описывается законом:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Зависимость электрического тока протекающего через катушку индуктивности от времени при колебаниях в электрическом контуре:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Зависимость напряжения на конденсаторе от времени при колебаниях в электрическом контуре:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение силы тока при гармонических колебаниях в электрическом контуре может быть рассчитано по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Максимальное значение напряжения на конденсаторе при гармонических колебаниях в электрическом контуре:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Все реальные контура содержат электрическое сопротивление R. Процесс свободных колебаний в таком контуре уже не подчиняется гармоническому закону. За каждый период колебаний часть электромагнитной энергии, запасенной в контуре, превращается в теплоту, выделяющуюся на резисторе, и колебания становятся затухающими.

Переменный ток. Трансформатор

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими синусоидальное напряжение. Они позволяют наиболее просто и экономно осуществлять передачу, распределение и использование электрической энергии.

Устройство, предназначенное для превращения механической энергии в энергию переменного тока, называется генератором переменного тока. Он характеризуется переменным напряжением U(t) (индуцированной ЭДС) на его клеммах. В основу работы генератора переменного тока положено явление электромагнитной индукции.

Переменным током называется электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону. Величины U0, I0 = U0/R называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения U(t) и силы тока I(t), зависящие от времени, называют мгновенными.

Переменный ток характеризуется действующими значениями силы тока и напряжения. Действующим (эффективным) значением переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделил бы в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток. Для переменного тока действующее значение силы тока может быть рассчитано по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Аналогично можно ввести действующее (эффективное) значение и для напряжения, рассчитываемое по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Таким образом, выражения для мощности постоянного тока остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Обратите внимание, что если идет речь о напряжении или силе переменного тока, то (если не сказано иного) имеется в виду именно действующее значение. Так, 220В – это действующее напряжение в домашней электросети.

Конденсатор в цепи переменного тока

Строго говоря, конденсатор ток не проводит (в том смысле, что носители заряда через него не протекают). Поэтому, если конденсатор подключен в цепь постоянного тока, то сила тока в любой момент времени в любой точке цепи равна нулю. При подключении в цепь переменного тока из-за постоянного изменения ЭДС конденсатор перезаряжается. Ток через него по-прежнему не течет, но ток в цепи существует. Поэтому условно говорят, что конденсатор проводит переменный ток. В этом случае вводится понятие сопротивления конденсатора в цепи переменного тока (или емкостного сопротивления). Это сопротивление определяется выражением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Обратите внимание, что емкостное сопротивление зависит от частоты переменного тока. Оно в корне отличается от привычного нам сопротивления R. Так, на сопротивлении R выделяется теплота (поэтому его часто называют активным), а на емкостном сопротивлении теплота не выделяется. Активное сопротивление связано со взаимодействием носителей заряда при протекании тока, а емкостное – с процессами перезарядки конденсатора.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

При протекании переменного тока в катушке возникает явление самоиндукции, и, следовательно, ЭДС. Из-за этого напряжение и сила тока в катушке не совпадают по фазе (когда сила тока равна нулю, напряжение имеет максимальное значение и наоборот). Из-за такого несовпадения средняя тепловая мощность, выделяющаяся в катушке, равна нулю. В этом случае вводится понятие сопротивления катушки в цепи переменного тока (или индуктивного сопротивления). Это сопротивление определяется выражением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Обратите внимание, что индуктивное сопротивление зависит от частоты переменного тока. Как и емкостное сопротивление, оно отличается от сопротивления R. Как и на емкостном сопротивлении, на индуктивном сопротивлении теплота не выделяется. Индуктивное сопротивление связано с явлением самоиндукции в катушке.

Трансформаторы

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с некоторым напряжением U1, а вторичная обмотка подключается к нагрузке, на которой появляется напряжение U2. При этом, если число витков в первичной обмотке равно n1, а во вторичной n2, то выполняется следующее соотношение:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Коэффициент трансформации вычисляется по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Если трансформатор идеальный, то выполняется следующее соотношение (мощности на входе и выходе равны):

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

В неидеальном трансформаторе вводится понятие КПД:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью, которая может быть рассчитана по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10 –12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10 –6 Гн/м. Скорость электромагнитных волн в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙10 8 м/с, она также может быть вычислена по формуле:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Если электромагнитная волна распространяется в какой-либо среде, то скорость ее распространения также выражается следующим соотношением:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

где: n – показатель преломления вещества – физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме. Показатель преломления, как видно из предыдущих формул, может быть рассчитан следующим образом:

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также ответственная проработка итоговых тренировочных тестов, позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того, на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на электронную почту (адрес электронной почты здесь). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

Что такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебанийЧто такое скорость колебаний. Смотреть фото Что такое скорость колебаний. Смотреть картинку Что такое скорость колебаний. Картинка про Что такое скорость колебаний. Фото Что такое скорость колебаний

ЗАПРЕЩЕНО использование представленных на сайте материалов или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, перепечатка, повторная публикация или воспроизведение в любой форме. Нарушение прав правообладателей преследуется по закону. Подробнее.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *