Что называется гармоническим колебанием

Гармонические колебания

Гармоническое колебание — колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид

,

где х — смещение (отклонение) колеблющейся точки от положения равновесия в момент времени t; А — амплитуда колебаний, это величина, определяющая максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия; ω — циклическая частота, величина, показывающая число полных колебаний происходящих в течение 2π секунд — полная фаза колебаний, — начальная фаза колебаний.

Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде

(Любое нетривиальное [1] решение этого дифференциального уравнения — есть гармоническое колебание с циклической частотой )

Содержание

Виды колебаний

Применение

Гармонические колебания выделяются из всех остальных видов колебаний по следующим причинам:

См. также

Примечания

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Гармонические колебания» в других словарях:

ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой синусоидой. Гармонические колебания простейший вид периодических движений, характеризуется … Современная энциклопедия

Гармонические колебания — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой синусоидой. Гармонические колебания простейший вид периодических движений, характеризуется … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Гармонические колебания — Колебания, при которых физическая величина изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса. Графически Г. к. изображаются кривой синусоидой или косинусоидой (см. рис.); они могут быть записаны в форме: х = Asin (ωt + φ) или х … Большая советская энциклопедия

ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодическое движение, такое как движение МАЯТНИКА, атомные колебания или колебания в электрической цепи. Тело совершает незатухающие гармонические колебания, когда оно колеблется вдоль линии, перемещаясь на одинаковое… … Научно-технический энциклопедический словарь

гармонические колебания — Механические колебания, при которых обобщенная координата и (или) обобщенная скорость изменяются пропорционально синусу с аргументом, линейно зависящим от времени. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 106. Механические колебания. Академия наук … Справочник технического переводчика

ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — (см.), при которых физ. величина изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса (напр. изменения (см.) и скорости при колебании (см.) или изменения (см.) и силы тока при электрических Г. к.) … Большая политехническая энциклопедия

Гармонические колебания — 19. Гармонические колебания Колебания, при которых значения колеблющейся величины изменяются во времени по закону Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — периодич. колебания, при к рых изменение во времени физ. величины происходит по закону синуса или косинуса (см. рис.): s = Аsin(wt+ф0), где s отклонение колеблющейся величины от её ср. (равновесного) значения, А=const амплитуда, w= const круговая … Большой энциклопедический политехнический словарь

Источник

Гармонические колебания.

Гармонические колебания — это колебания, при которых физическая величина меняется во времени по синусоидальному закону:

.

где х — значение колеблющейся величины в момент времени t, А — амплитуда, ω — круговая частота, φ — начальная фаза колебаний, (φt + φ) — полная фаза колебаний. При этом величины А, ω и φ — постоянные.

Для механических колебаний колеблющейся величиной х являются, в частности, смещение и скорость, для электрических колебаний — напряжение и сила тока.

Гармонические колебания занимают особое место среди всех видов колебаний, т. к. это единственный тип колебаний, форма которых не искажается при прохождении через любую однородную среду, т. е. волны, распространяющиеся от источника гармонических колебаний, также будут гармоническими. Любое негармоническое колебание может быть представлено в виде сумм (интеграла) различных гармонических колебаний (в виде спектра гармонических колебаний).

Превращения энергии при гармонических колебаниях.

В процессе колебаний происходит переход потенциальной энергии W_p в кинетическую W_k и наоборот. В положении максимального отклонения от положения равновесия потенциальная энергия максимальна, кинетическая равна нулю. По мере возвращения к положению равновесия скорость колеблющегося тела растет, а вместе с ней растет и кинетическая энергия, достигая максимума в положении равновесия. Потенциальная энергия при этом падает до нуля. Дальней­шее движение происходит с уменьшением скорости, которая падает до нуля, когда отклонение достигает своего второго максимума. Потенциальная энергия здесь увеличивается до своего перво­начального (максимального) значения (при отсутствии трения). Таким образом, колебания кинетической и потенциальной энергий происходят с удвоенной (по сравнению с колебаниями самого маятника) частотой и находятся в противофазе (т. е. между ними существует сдвиг фаз, равный π). Полная энергия колебаний W остается неизменной. Для тела, колеблющегося под действием силы упругости, она равна:

.

где v_m — максимальная скорость тела (в положении равновесия), х_m = А — амплитуда.

Из-за наличия трения и сопротивления среды свободные колебания затухают: их энергия и амплитуда с течением времени уменьшаются. Поэтому на практике чаще используют не свободные, а вынужденные колебания.

Источник

Гармонические колебания

9 класс, 11 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Механические колебания

Механические колебания — это физические процессы, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.

Колебания делятся на два вида: свободные и вынужденные.

Свободные колебания

Это колебания, которые происходят под действием внутренних сил в колебательной системе.

Они всегда затухающие, потому что весь запас энергии, сообщенный в начале, в конце уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (в этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю). Из-за этого свободные колебания почти не имеют практического применения.

Вынужденные колебания

А вот вынужденные колебания восполняют запас энергии внешним воздействием. Если это происходит каждый период, то колебания вообще затухать не будут.

Частота, с которой эта сила воздействует, равна частоте, с которой система будет колебаться.

Например, качели. Если вас кто-то будет на них качать, каждый раз давая толчок, когда вы приходите в одну и ту же точку — такое колебание будет считаться вынужденным.

Это колебание все еще будет считаться вынужденным, если вас будут раскачивать из положения равновесия. Просто в данном случае амплитуда (о которой речь пойдет чуть ниже) будет увеличиваться с каждым колебанием.

Автоколебания

Иногда вынужденному колебанию не нужно внешнего воздействия, чтобы случиться. Бывают такие системы, в которых это внешние воздействие возникает само из-за способности регулировать поступление энергии от постоянного источника.

У автоколебательной системы есть три важных составляющих:

Часы с кукушкой — пример автоколебательной системы. Гиря на ниточке (цепочке) стремится вращать зубчатое колесо (храповик). При колебаниях маятника анкер цепляет за зубец, и вращение приостанавливается.

Но в результате маятник получает толчок, компенсирующий потери энергии из-за трения. Потенциальная энергия гири, которая постепенно опускается, расходуется на поддержание незатухающих колебаний.

Характеристики колебаний

Чтобы перейти к гармоническим колебаниям, нам нужно описать величины, которые помогут нам эти колебания охарактеризовать. Любое колебательное движение характеризуется величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.

Формула периода колебаний

T = t/N

N — количество колебаний [-]

Также есть величина, обратная периоду — частота. Она показывает, сколько колебаний совершает система в единицу времени.

Формула частоты

ν = N/t = 1/T

N — количество колебаний [-]

Она используется в уравнении гармонических колебаний:

Гармонические колебания

Простейший вид колебательного процесса — простые гармонические колебания, которые описывают уравнением:

Уравнение гармонических колебаний

x — координата в момент времени t [м]

t — момент времени [с]

2πνtв этом уравнении — это фаза. Ее обозначают греческой буквой φ

Фаза колебаний

t — момент времени [с]

Например, в тех же самых часах с кукушкой маятник совершает колебания. Он качается слева направо и приходит в самую правую точку. В той же фазе он будет находиться, когда придет в ту же точку, идя справа налево. Если мы возьмем точку на сантиметр левее самой правой, то идя в нее не слева направо, а справа налево, мы получим уже другую фазу.

На рисунке ниже показаны положения тела через одинаковые промежутки времени при гармонических колебаниях. Такую картину можно получить при освещении колеблющегося тела короткими периодическими вспышками света (стробоскопическое освещение). Стрелки изображают векторы скорости тела в различные моменты времени.

Если изменить период, начальную фазу или амплитуду колебания, графики тоже изменятся.

На рисунке ниже во всех трех случаях для синих кривых начальная фаза равна нулю, а в последнем (с) — красная кривая имеет меньшую начальную фазу.

Во втором случае (b) красная кривая отличается от синей только значением периода — у красной период в два раза меньше.

Математический маятник

Математический маятник — отличный пример гармонических колебаний. Если мы подвесим шарик на нити, то это еще не будет математическим маятником — пока он только физический.

Математическим этот маятник станет, если размеры шарика много меньше длины нити (тогда этими размерами можно пренебречь и рассматривать шарик как материальную точку), растяжение нити очень мало, а масса нити во много раз меньше массы шарика.

Математическим маятником называется система, которая состоит из материальной точки массой m и невесомой нерастяжимой нити длиной l, на которой материальная точка подвешена, и которая находится в поле силы тяжести (или других сил).

Период малых колебаний математического маятника в поле силы тяжести Земли определяется по формуле:

Формула периода колебания математического маятника

g — ускорение свободного падения [м/с^2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Пружинный маятник

Пружинный маятник — это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.

В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости.
Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует.

Формула периода колебания пружинного маятника

m — масса маятника [кг]

k — жесткость пружины [Н/м]

Закон сохранения энергии для гармонических колебаний

Физика — такая клевая наука, в которой ничего не исчезает бесследно и не появляется из ниоткуда. Эту особенность описывает закон сохранения энергии.

Рассмотрим его на примере математического маятника.

Источник

Трактовка понятий

Чтобы записать закон гармонических колебаний математическим способом, используются следующие формулы: х (t)= A sin (wt+f) и х (t)= A cos (wt+f). Через x вычисляется изменяющаяся величина. Для времени используется t. Трактовка остальных постоянных параметров:

В дифференциальном виде уравнение гармонических колебаний записывается следующим образом: d²x/dt²+w²x=0. Нетривиальное решение такого примера — гармоническое колебание (ГК) с зависимостью от величины w. Если точка двигается по окружности равномерно, тогда любая её проекция на прямую будет лежать в этой плоскости. Условия, при которых могут происходить изменения, — воздействие силы тяготения небольшого груза, подвешенного на длинной нити. На практических занятиях по физике ученики используют маятник. Вместо нити может применяться пружина либо иное тело.

Для него характерны малые амплитуды. ГК под воздействием силы упругости способствует изменению состояния пружины. Аналогичные движения совершает балансир в механических часах. Если рассматривать материальную точку, она выполняет КГ в положении равновесия. При периодических колебаниях (ПК) движение характеризуется координатой.

Описание графика

Чтобы отобразить пружинные колебания, используется график, на котором показывается смещение тела со временем. На практике устанавливается к маятнику карандаш, а за ним бумажная лента. Последнее тело будет равномерно колебаться за счет перемещения. Можно провести опыт с помощью математического маятника.

В любом случае график ГК — синусоида либо косинусоида. По нему осуществляется определение характеристик вынужденного либо свободного колебания. В уравнении координата тела зависит от времени. На первом интервале косинус максимален, а синус равен нулю.

Если исследование начинать из положения полного равновесия, график повторяет синусоиду. При максимальном отклонении описывается косинус. Значение волны в разных точках определяется по формуле: w=π/2.

Ускорение и сила достигают максимальных пределов при нахождении тела в крайних точках. В таком положении существует вероятность, что колебания могут затухать.

Применение маятников

Для вычисления энергии гармонических колебаний используются на практике разные приборы, включая осциллятор. Он представлен в виде математического маятника со специальной механической системой. Последние элементы находятся в невесомости, в однородном поле сил тяготения. Период незначительных вертикальных колебаний не зависит от амплитуды. Параметр вычисляется по следующей формуле: T=2π √l/g.

Если для опыта используется физический маятник, твердое тело смещается в поле конкретных сил относительно материальной точки, которая не является центром масс тела. Когда учитывается неподвижная ось, колебания перпендикулярны направлению действия сил и не проходят через центр масс тела. В некоторых точках значение равняется нулю либо достигают максимума.

Чтобы найти значение стоячей волны, потребуется рассмотреть колебания в системе с амплитудой узловой. Подобное явление наблюдается в результате отражения волны от преграды. Для расчёта учитывается количество фаз, частота, коэффициент затухания волны в точке отражения. Подобные колебания создают струны, воздух в трубе.

В среде могут встречаться и бегущие волны, которые подводят энергию к точкам её излучения/поглощения. Если строить график при создании движений в электромагнитном поле, учитываются особенности соответствующей волны.

Процесс считается последовательным. При этом у него установлена тесная связь с вектором напряжения, магнитным полем. Одновременно изменяется магнитное поле, провоцирующее колебания в электрическом поле. Чтобы теоретически описать природные явления, используется монохроматическая волна.

Отличие этой модели заключается в том, что в спектр входит только одна составляющая по частоте волна:

Для дисперсии света также характерны ГК. В процессе разложения света участвуют фазовые скорости и преломление в абсолютном значении. Теория открыта Ньютоном в 1672 году.

Классификация системы

Свободные колебания выполняются под воздействием внутренних сил системы после её вывода из равновесия. Чтобы движения были гармоническими, нужно описать линейное уравнение. В системе нет диссипации энергии. При её ненулевом значении в системе после возбуждения приходит затухание.

Вынужденные движения совершаются под влиянием внешней силы, но с периодическим характером. Чтобы процесс был гармоническим, потребуется привести колебательную систему в линейную. При этом внешняя сила может меняться периодически как гармоническое колебание. В таком случае зависимость времени от силы будет носить синусоидальный характер.

Часто маленькие ГК вынужденного и свободного типа происходят в настоящих системах. Они могут принимать форму стандартных колебаний либо близким к ним движениям. В 1822 году Фурье открыл широкий класс функций периодического класса, который раскладывается на сумму тригонометрических составных компонентов. Таким способом формируется ряд Фурье.

Согласно такому утверждению, любое периодическое движение представлено в виде суммы ГК с соответствующими амплитудами, начальными фазами и частотами. К слагаемым этой суммы относится гармоническое колебание, характерна минимальная частота. Она называется основной. Само колебание считается первичной гармоникой либо главным тоном. Частоты других слагаемых, ГК, кратны основной частоте.

Такие колебания называются максимальными гармониками либо обертонами. Они могут быть первичными, вторичными. Приборы, функционирующие по такому принципу, обладают свойством линейности. Ученые установили связь воздействия и отклика, что называется устойчивой характеристикой системы. Подобная информация позволяет исследовать прохождение смещений, скачков, произвольных колебаний.

Если в задаче используется ускорение при свободном падении, учитывается постоянная величина g. Она равна 9.8. Другие формулы применяются в зависимости от неизвестных величин, заданных параметров.

Практические учебники издаются по отдельным темам, разделам физики. Так как уравнение повторяет график синуса или косинуса, поэтому в практические занятия входят математические упражнения. Для некоторых координат характерны конкретные значения. Уравнение решается любым возможным математическим способом.

Источник

Гармонические колебания

Техника и окружающий мир являются примерами того, что существуют такие процессы, которые повторяются через определенные промежутки времени, то есть периодически. Их называют колебательными.

Колебательные движения. Формулы

Такие движения относят к явлениям с разной физической природой с подчинением общим закономерностям. Запись колебания тока в электрической цепи и математического маятника производится одним и тем же уравнением. Различная природа колебательных движений позволяет рассматривать их с единой точки зрения, исходя из общности закономерностей.

Механические колебания – это периодические или непериодические изменения физической величины, описывающей механическое движение (скорость, перемещение и так далее).

Когда в заданной среде атомы располагаются очень близко или молекулы испытывают силовое воздействие, наблюдается возбуждение механических колебаний. Это говорит о том, что процесс будет иметь конечную скорость, зависящую от свойств среды, которая распространяется от точки к точке. Так возникают механические волны. Явный пример – звуковые волны в воздухе.

Волновые процессы и колебания разной природы имеют много общего, а их распространение может быть описано аналогичными математическими уравнениями. Это подтверждает единство материального мира.

Гармонические колебания. Определение

В механике предусмотрено движение поступательно, вращательно и с наличием колебаний.

Механические колебания – это движения тел, которые повторяются точно или приблизительно за определенные одинаковые временные промежутки.

Механические колебания подразделяют на свободные и вынужденные.

Действия внутренних сил системы после выведения из равновесия порождают свободные колебания. Примером могут служить колебания груза на пружине или маятника. Если их действие происходит под воздействием внешних сил, тогда их называют вынужденными.

Гармонический закон

Источник

• визитки установка дверей шаблоны →