Човен гойдається на хвилях, діти розгойдують один одного на гойдалці, годинник з зозулею будинку у бабусі — все це приклад вимушених вагань. Найголовніше — зрозуміти, чим вимушені коливання відрізняються від вільних.
Механічні коливання
Механічні коливання– це фізичні процеси, які точно або приблизно повторюються через однакові інтервали часу.
Коливання поділяються на два види: вільні та вимушені.
Коливання, що відбуваються під дією внутрішніх сил у коливальній системі називають вільними. Вони завжди загасають, тому що весь запас енергії, повідомлений на початку, наприкінці йде на виконання роботи з подолання сил тертя і опору середовища (у цьому випадку механічна енергія переходить у внутрішню). Через це вільні коливання майже не мають практичного застосування.
Вимушені коливання
А ось вимушені коливання заповнюють запас енергії зовнішнім впливом. Якщо це відбувається кожен період , то коливання взагалі загасати не будуть.
Які коливання називаються вимушеними?
- Вимушені коливання – це коливання, які відбуваються під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється.
Частота, з якою ця сила впливає, дорівнює частоті, з якою система коливатиметься.
Наприклад, гойдалки — якщо вас хтось на них качатиме, кожного разу даючи поштовх, коли ви приходите в одну й ту ж точку, таке коливання буде вважатися вимушеним.
Це коливання все ще буде вважатися вимушеним, якщо вас будуть розгойдувати зі становища рівноваги. Просто в даному випадку амплітуда (про яку мова піде трохи нижче) буде збільшуватися з кожним коливанням.
Автоколивання
Іноді вимушеному коливанню не потрібно зовнішнього впливу, щоб статися. Бувають такі системи, у яких цей зовнішній вплив виникає саме через здатність регулювати надходження енергії від постійного джерела.
У автоколивальної системи є три важливі складові:
- сама коливальна система;
- джерело енергії;
- пристрій зворотного зв’язку, що забезпечує зв’язок між джерелом та системою.
Наприклад, годинник з зозулею — приклад автоколивальної системи. Гиря на ниточці (ланцюжку) прагне обертати зубчасте колесо (храповик). При коливаннях маятника анкер чіпляє за зубець, і обертання зупиняється.
Але в результаті маятник отримує поштовх, що компенсує втрати енергії через тертя. Потенційна енергія гирі, яка поступово опускається, витрачається на підтримку невгамовних коливань.
Характеристики коливань
Будь-який коливальний рух характеризується величинами: період, частота, амплітуда, фаза коливань.
| Формула періоду коливань T = t/N T — період [с] t — час [с] N — кількість коливань [-] |
До речі, для математичного та пружинного маятника є свої формули періоду:
Формула періоду коливання математичного маятника  T — період [с] l — довжина нитки [м] g — прискорення вільного падіння [м/с2] На планеті Земля g = 9,8 м/с2 π = 3,14 |
Формула періоду коливання пружинного маятника  T — період [с] m — маса маятника [кг] k — жорсткість пружини [Н/м] π = 3,14 |
Також є величина, зворотна періоду – частота. Вона показує, скільки коливань здійснює система в одиницю часу.
| Формула частоти ν = N/t = 1/T ν — частота [Гц] t — час [с] T — період [ с] N — кількість коливань [-] |
- Амплітуда – Це максимальне відхилення від положення рівноваги. Вимірюється в метрах і позначається або літерою A, або xmax.
Вона використовується в рівнянні гармонійних коливань:
Рівняння гармонійних коливань  x — координата в момент часу t [м] xmax— амплітуда [м] ν — частота [Гц] t — момент часу [с] π = 3,14 |
У даному рівнянні 2πνt є фазою і позначається грецькою буквою φ.
| Фаза коливань φ = 2πνt φ — фаза [рад] xmax— амплітуда [м] ν – частота [Гц] t – момент часу [с] π = 3,14 |
- Фаза коливань – це фізична величина, яка показує відхилення точки від положення рівноваги. Подивіться на малюнок, на ньому зображені однакові фази:
Наприклад, у тих же годинниках з зозулею маятник здійснює коливання. Він хитається зліва направо і приходить у праву точку. У тій же фазі він перебуватиме, коли прийде в ту саму точку, йдучи праворуч наліво. Якщо ми візьмемо крапку на сантиметр лівіше за саму праву, то йдучи в неї не зліва направо, а праворуч наліво, ми отримаємо вже іншу фазу.
