في الحياة اليومية ، يواجه الشخص باستمرار مظاهر للحركة التذبذبية. هذا هو تأرجح البندول في الساعة ، اهتزازات نوابض السيارات والسيارة بأكملها. حتى الزلزال ليس سوى اهتزازات قشرة الأرض. تتأرجح المباني الشاهقة أيضًا من هبوب الرياح القوية. دعنا نحاول معرفة كيف تفسر الفيزياء هذه الظاهرة
البندول كنظام تذبذب
المثال الأكثر وضوحًا للحركة التذبذبية هو بندول ساعة الحائط. يُطلق على مرور البندول من أعلى نقطة على اليسار إلى أعلى نقطة على اليمين تأرجحه الكامل. تسمى فترة التذبذب الكامل بالمحيط. تردد التذبذب هو عدد التذبذبات في الثانية.
لدراسة التذبذبات ، يتم استخدام بندول الخيط البسيط ، والذي يتكون من تعليق كرة معدنية صغيرة على خيط. إذا تخيلنا أن الكرة هي نقطة مادية ، وأن الخيط ليس له كتلة على الإطلاقالمرونة وقلة الاحتكاك تحصل على نظري يسمى البندول الرياضي
يمكن حساب فترة التذبذب لهذا البندول "المثالي" باستخدام الصيغة:
T=2π √ لتر / ز ،
حيث l طول البندول ، و g تسارع السقوط الحر.
توضح الصيغة أن فترة تذبذب البندول لا تعتمد على كتلته ولا تأخذ في الاعتبار زاوية الانحراف عن موضع التوازن.
تحويل الطاقة
ما هي آلية حركات البندول المتكرر بفترة معينة حتى إلى ما لا نهاية ، إذا لم تكن هناك قوى احتكاك ومقاومة ، للتغلب على عمل معين مطلوب؟
يبدأ البندول في التذبذب بسبب الطاقة المنقولة إليه. في اللحظة التي يُسحب فيها البندول من الوضع الرأسي ، نمنحه قدرًا معينًا من الطاقة الكامنة. عندما يتحرك البندول من أعلى نقطة له إلى موضعه الأولي ، تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. في هذه الحالة ، ستصبح سرعة البندول هي الأكبر ، حيث تقل القوة المسببة للتسارع. نظرًا لحقيقة أنه في الموضع الأولي تكون سرعة البندول هي الأكبر ، فإنها لا تتوقف ، ولكن بالقصور الذاتي يتحرك أكثر على طول قوس الدائرة إلى نفس الارتفاع تمامًا مثل الارتفاع الذي ينزل منه. هذه هي الطريقة التي يتم بها تحويل الطاقة أثناء الحركة التذبذبية من الجهد إلى الحركية.
ارتفاع البندول يساوي ارتفاع انخفاضه. توصل جاليليو إلى هذا الاستنتاج أثناء إجراء تجربة باستخدام بندول ، سُمي لاحقًا باسمه.
تأرجح البندول هو مثال لا جدال فيه على قانون الحفاظ على الطاقة. وتسمى بالاهتزازات التوافقية.
موجة جيبية ومرحلة
ما هي الحركة التذبذبية التوافقية. لمعرفة مبدأ هذه الحركة ، يمكنك إجراء التجربة التالية. نعلق قمعًا بالرمل على العارضة. تحتها نضع ورقة ، يمكن تحريكها عموديًا على تقلبات القمع. بعد ضبط القمع في الحركة ، نحول الورق.
النتيجة خط متموج مكتوب بالرمال - شبيه الجيب. تسمى هذه التذبذبات ، التي تحدث وفقًا لقانون الجيب ، بالجيبية أو التوافقية. مع مثل هذه التقلبات ، فإن أي كمية تميز الحركة ستتغير وفقًا لقانون الجيب أو جيب التمام.
بعد فحص الجيوب الأنفية المتكونة على الورق المقوى ، يمكن ملاحظة أن الرمل عبارة عن طبقة من الرمل في أقسامها المختلفة بسماكات مختلفة: في أعلى أو حوض الجيوب الأنفية ، تكون مكدسة بكثافة. يشير هذا إلى أن سرعة البندول في هذه النقاط كانت الأصغر ، أو بالأحرى صفرًا ، في تلك النقاط التي عكس فيها البندول حركته.
يلعب مفهوم المرحلة دورًا كبيرًا في دراسة التذبذبات. ترجمت هذه الكلمة إلى الروسية ، وتعني "مظاهر". في الفيزياء ، المرحلة هي مرحلة محددة من عملية دورية ، أي المكان على الجيب حيث يوجد البندول حاليًا.
ترددات طليقة
إذا أعطي النظام التذبذب حركة ثم توقفتأثير أي قوى وطاقات ، فإن تذبذبات مثل هذا النظام ستسمى حرة. ستبدأ اهتزازات البندول ، التي تُركت لنفسها ، بالتلاشي تدريجياً ، وستنخفض السعة. حركة البندول ليست متغيرة فقط (أسرع في الأسفل وأبطأ في الأعلى) ، ولكنها أيضًا غير متغيرة بشكل موحد.
في التذبذبات التوافقية ، تصبح القوة التي تعطي تسارع البندول أضعف مع انخفاض مقدار الانحراف عن نقطة التوازن. هناك علاقة تناسبية بين القوة ومسافة الانحراف. لذلك تسمى هذه الاهتزازات التوافقية حيث لا تتجاوز زاوية الانحراف عن نقطة التوازن عشر درجات.
الحركة والرنين القسريين
للتطبيق العملي في الهندسة ، لا يُسمح للاهتزازات بالتحلل ، مما يؤدي إلى نقل قوة خارجية إلى النظام المتذبذب. إذا حدثت الحركة التذبذبية تحت تأثير خارجي ، فإنها تسمى قسرية. تحدث التذبذبات القسرية بالتردد الذي يحددها تأثير خارجي. قد يتطابق أو لا يتطابق تواتر القوة الخارجية المؤثرة مع تواتر التذبذبات الطبيعية للبندول. عندما تتزامن ، يزداد اتساع التذبذبات. مثال على مثل هذه الزيادة هو التأرجح الذي يقلع أعلى إذا أعطيتهم ، أثناء الحركة ، التسارع ، وضرب إيقاع حركتهم.
تسمى هذه الظاهرة في الفيزياء بالرنين وهي ذات أهمية كبيرة للتطبيقات العملية. على سبيل المثال ، عند ضبط جهاز استقبال راديو على الموجة المرغوبة ، يتم إحضاره إلى الرنين مع محطة الراديو المقابلة. ظاهرة الرنين لها أيضا نتائج سلبية ،مما ادى الى هدم الابنية والجسور
أنظمة الاكتفاء الذاتي
إلى جانب الاهتزازات القسرية والحرة ، هناك أيضًا اهتزازات ذاتية. تحدث مع تواتر النظام المتذبذب نفسه عندما تتعرض لقوة ثابتة بدلاً من قوة متغيرة. من الأمثلة على التذبذبات الذاتية الساعة ، وهي حركة البندول التي يتم توفيرها والحفاظ عليها عن طريق فك الزنبرك أو خفض الحمل. عند العزف على الكمان ، تتزامن الاهتزازات الطبيعية للأوتار مع القوة الناشئة عن تأثير القوس ، ويظهر صوت نغمة معينة.
الأنظمة التذبذبية متنوعة ، ودراسة العمليات التي تحدث فيها في تجارب عملية مثيرة للاهتمام وغنية بالمعلومات. التطبيق العملي للحركة التذبذبية في الحياة اليومية والعلوم والتكنولوجيا متنوعة ولا غنى عنها: من التأرجح المتأرجح إلى إنتاج محركات الصواريخ.
