Існують різні види коливань у фізиці, що характеризуються певними параметрами. Розглянемо їх основні відмінності, класифікацію за різними факторами.

Основні визначення

Під коливанням мають на увазі процес, в якому через рівні проміжки часу основні характеристики руху мають однакові значення. Періодичними називають такі коливання, при яких значення основних величин повторюються через однакові проміжки часу (період коливань).

Різновиди коливальних процесів

Розглянемо основні види коливань, існуючі у фундаментальної фізики. Вільними називають коливання, які виникають в системі, не піддається зовнішнім змінним впливів після початкового поштовху. В якості прикладу вільних коливань є математичний маятник. Ті види механічних коливань, які виникають в системі під дією зовнішньої змінної сили.

Особливості класифікації

З фізичної природі виділяють наступні види коливальних рухів:

механічні;

теплові;

електромагнітні;

змішані.

За варіантом взаємодії з навколишнім середовищем

Види коливань по взаємодії з навколишнім середовищем виділяють кілька груп. Вимушені коливання з'являються в системі при дії зовнішнього періодичного дії. В якості прикладів такого виду коливань можна розглянути рух рук, листя на деревах. Для вимушених гармонічних коливань можливо появу резонансу, при якому при рівних значеннях частоти зовнішнього впливу і осцилятора при різкому зростанні амплітуди. Власні це коливання в системі під впливом внутрішніх сил після того, коли вона буде виведена з рівноважного стану. Найпростішим варіантом вільних коливань є рух вантажу, який підвішений на нитці, або прикріплений до пружині.


Автоколиваннями називають види, при яких система має певний запас потенційної енергії, що йде на вчинення коливань. Відмінною рисою їх є той факт, що амплітуда характеризується властивостями самої системи, а не початковими умовами. Для випадкових коливань зовнішня навантаження має випадкове значення.

Основні параметри коливальних рухів

Всі види коливань мають певні характеристики, про які слід згадати окремо. Амплітудою називають максимальне відхилення від положення рівноваги відхилення коливної величини, вона вимірюється в метрах. Період є час одного повного коливання, через який повторюються характеристики системи, обчислюється в секундах. Частота визначається кількістю коливань за одиницю часу, вона обернено пропорційна періоду коливань. Фаза коливань характеризує стан системи.

Характеристика гармонійних коливань

Такі види коливань відбуваються за законом косинуса або синуса. Фур'є вдалося встановити, що всяке періодичне коливання можна представити у вигляді суми гармонійних змін шляхом розкладання певної функції в ряд Фур'є.


В якості прикладу можна розглянути маятник, який має певний період і циклічну частоту. Чим характеризуються такі види коливань? Фізика вважає математичний маятник ідеалізованої системою, яка складається з матеріальної точки, яка підвішена на невагомою нерозтяжній нитці, коливається під впливом сили тяжкості. Такі види коливань мають певною величиною енергії, вони поширені в природі і техніці. При тривалому коливальному русі відбувається зміна координати його центра мас, а при змінному струмі змінюється значення струму і напруги в ланцюзі. Виділяють різні види гармонійних коливань по фізичній природі: електромагнітні, механічні та ін. Як вимушених коливань виступає тряска транспортного засобу, що пересувається по нерівній дорозі.

Основні відмінності між вимушеними і вільними коливаннями

Ці види електромагнітних коливань відрізняються за фізичними характеристиками. Наявність опору середовища і сили тертя призводять до загасання вільних коливань. У випадку вимушених коливань втрати енергії компенсуються її додатковим надходженням від зовнішнього джерела.
Період пружинного маятника зв'язує масу тіла і жорсткість пружини. У разі математичного маятника він залежить від довжини нитки. При відомому періоді можна обчислити власну частоту коливальної системи. В техніці і природі існують коливання з різними значеннями частот. Наприклад, маятник, який коливається в Ісаакієвському соборі в Петербурзі, має частоту 005 Гц, а у атомів вона становить кілька мільйонів мегагерц. Через деякий проміжок часу спостерігається загасання вільних коливань. Саме тому в реальній практиці застосовують вимушені коливання. Вони затребувані в різноманітних вібраційних машинах. Вібромолоти є ударно-вібраційної машиною, яка призначається для забивання в грунт труб, паль, інших металевих конструкцій.

Електромагнітні коливання

Характеристика видів коливань передбачає аналіз основних фізичних параметрів: заряду, напруги, сили струму. Як елементарної системи, яка використовується для спостереження електромагнітних коливань, є коливальний контур. Він утворюється при послідовному з'єднанні котушки і конденсатора.
При замиканні ланцюга, в ній виникають вільні електромагнітні коливання, пов'язані з періодичними змінами електричного заряду на конденсаторі і струму в котушці. Вільними вони є завдяки тому, що при їх вчиненні немає зовнішнього впливу, а використовується тільки енергія, яка запасена в самому контурі. Якщо вважати опір котушки нульовим, а період коливань взяти за Т, можна розглянути одне повне коливання, що здійснюється системою. При відсутності зовнішнього впливу, через певний проміжок часу, спостерігається згасання електромагнітного коливання. Причиною подібного явища буде поступова розрядка конденсатора, а також опір, яким в реальності має котушка. Саме тому в реальному контурі відбуваються затухаючі коливання. Зменшення заряду на конденсаторі призводить до зниження значення енергії у порівнянні з її початковим показником. Поступово вона виділяється у вигляді тепла на з'єднувальних проводах і котушці, конденсатор повністю розрядиться, а електромагнітне коливання завершиться.

Значення коливань в науці і техніці

Будь-які рухи, які володіють певним ступенем повторюваності, є коливаннями. Наприклад, математичний маятник характеризується систематичним відхиленням в обидва боки від початкового вертикального положення. Для пружинного маятника одне повне коливання відповідає його руху вгору-вниз від початкового положення. В електричному контурі, який володіє ємністю та індуктивністю, спостерігається повторення заряду на пластинах конденсатора. У чому причина коливальних рухів? Маятник функціонує завдяки тому, що сила тяжіння змушує його повертатися в початкове положення. У разі пружиною моделі подібну функцію здійснює сила пружності пружини. Проходячи положення рівноваги, вантаж має певну швидкість, тому за інерцією рухається повз середнього стану. Електричні коливання можна пояснити різницею потенціалів, існуючої між обкладками зарядженого конденсатора. Навіть при його повній розрядці струм не зникає, здійснюється перезарядження. У сучасній техніці застосовуються коливання, які істотно розрізняються по своєю природою, ступенем повторюваності, характеру, а також «механізму» появи. Механічні коливання здійснюють струни музичних інструментів, морські хвилі, маятник. Хімічні коливання, пов'язані зі зміною концентрації реагуючих речовин, враховують при проведенні різних взаємодій. Електромагнітні коливання дозволяють створювати різні технічні пристосування, наприклад, телефон, ультразвукові медичні прилади. Коливання яскравості цефеїд представляють особливий інтерес в астрофізиці, їх вивченням займаються вчені з різних країн.

Висновок

Всі види коливань тісно пов'язані з величезною кількістю технічних процесів і фізичних явищ. Велике їх практичне значення в літакобудуванні, будівництві судів, зведенні житлових комплексів, електротехніки, радіоелектроніки, медицині, фундаментальної науки. Прикладом типового коливального процесу в фізіології виступає рух серцевого м'яза. Механічні коливання зустрічаються в органічній і неорганічній хімії, метеорології, а також у багатьох інших природничих галузях. Перші дослідження математичного маятника були проведені в сімнадцятому столітті, а до кінця дев'ятнадцятого століття вченим вдалося встановити природу електромагнітних коливань. Російський вчений Олександр Попов, якого вважають «батьком» радіозв'язку, проводив свої експерименти саме на основі теорії електромагнітних коливань, результати досліджень Томсона, Гюйгенса, Релея. Йому вдалося знайти практичне застосування електромагнітних коливань, використовувати їх для передачі сигналу на велику відстань. Академік П. Н. Лебедєв протягом багатьох років проводив експерименти, пов'язані з отримання електромагнітних коливань високої частоти з допомогою переменни електричних полів. Завдяки численним експериментам, пов'язані з різними видами коливань, вченим вдалося знайти області їх оптимального використання у сучасній науці і техніці.