Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания широко применяются в различных областях науки и техники. Основным примером незатухающих колебаний являются механические колебания в форме маятников. Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. Примерами незатухающих колебаний являются колебания в маятниках, электрических схемах, контурах RLC и др.
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
Период таких колебаний практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, то есть определяется жёсткостью пружины и массой груза. Подобным же образом поддерживаются незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, питающимся от сети через понижающий трансформатор. Здесь периодические толчки создаются электромагнитом, притягивающим якорёк, укреплённый на молоточке. Якорь притягивается, и боёк, связанный с ним, ударяет по чашечке звонка. При притягивании якоря между ним и винтом 3 образуется зазор, ток прерывается, электромагнит обесточивается, и якорь силой пружины 4 возвращается в исходное положение. Цепь электромагнита при этом снова замыкается, и боёк ещё раз ударяет по чашечке. Так периодически повторяется работа звонка, пока кнопка К нажата. Аналогично можно получить автоколебания со звуковыми частотами, возбудив незатухающие колебания камертона, если между ножками камертона поместить электромагнит 2. По катушке электромагнита проходит ток, намагничивая сердечник, который притягивает ножку камертона, поднимая её вверх.
Цепь размыкается, и ножка камертона под действием силы тяжести опускается вниз. Цепь замыкается и далее всё повторяется. Электромеханические автоколебательные системы, подобные рассмотренным в технике применяются очень широко. Но есть и чисто механические колебательные устройства, например маятниковые часы. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант" Такие генераторы применяются во многих устройствах — радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, компьютерах, электроорганах и т. Так, частоты генераторов могут лежать в диапазоне от нескольких десятков герц низкие ноты в электрооргане до сотен мегагерц телевидение и даже до нескольких гигагерц спутниковое телевидение, радиолокаторы, используемые сотрудниками ГАИ для определения скорости автомобиля. Мощность, которую может отдать генератор потребителю, составляет от нескольких микроватт генератор в наручных часах до десятков ватт генератор телевизионной развертки , а в некоторых специальных случаях мощность может быть такой, что и писать нет смысла — все равно вы не поверите. Форма колебаний возможна как самая простая — синусоидальная гетеродин радиоприемника или прямоугольная таймер компьютера , так и весьма сложная — «имитирующая» звучание музыкальных инструментов музыкальные синтезаторы. Конечно, мы не будем рассматривать все это разнообразие, а ограничимся совсем простым примером — маломощным генератором синусоидального напряжения умеренной частоты сотни килогерц.
Уравнение процесса легко получить, приравняв с учетом знаков напряжения на конденсаторе и на катушке — ведь они включены параллельно рис. Решение этого уравнения хорошо известно — это гармонические колебания. Пусть, для определенности, вся неидеальность контура связана с тем, что у катушки, точнее — у провода, из которого она намотана, есть активное омическое сопротивление r рис. На самом деле, конечно, потери энергии есть и у конденсатора хотя на не очень высоких частотах сделать очень хороший конденсатор можно без особого труда. Да и потребитель отнимает у контура энергию, что также способствует затуханию колебаний. Одним словом, будем считать, что r — это эквивалентная величина, отвечающая за все потери энергии в контуре.
Незатухающие колебания возникают, когда потери, возникающие в электрической системе, могут быть компенсированы, поэтому амплитуда колебаний, происходящих в это время, остается постоянной и неизменной. Проще говоря, его можно определить как незатухающие колебания, которые остаются неизменными во времени. Основным фактом незатухающих колебаний является отсутствие потерь мощности, если генератор издает такие колебания. В отличие от затухающих колебаний, если производимые колебания не затухают, потери мощности не будет, и, следовательно, не будет необходимости компенсировать энергию или любые потери, вызванные ею. В то время как в затухающих колебаниях большая часть энергии требует компенсации из-за потери мощности. Основные различия между затухающими и незатухающими колебаниями Основное различие между затухающими и незатухающими колебаниями состоит в том, что колебания, амплитуда которых с течением времени продолжает уменьшаться, являются затухающими колебаниями, а тип колебаний, амплитуда которых остается неизменной и постоянной во времени, — незатухающими колебаниями. Амплитуда, генерируемая волнами в затухающих, постепенно уменьшается, поэтому эти колебания не длятся долго и прекращаются в какой-то момент. В то время как в колебаниях, которые производят незатухающие колебания, нет потери мощности. Частота в затухающих колебаниях остается неизменной, а в незатухающих амплитуда во времени не меняется.
В таблице приведены значения координаты груза х в различные моменты времени t. Выберите все верные утверждения о результатах этого опыта на основании данных, содержащихся в таблице. Абсолютная погрешность измерения координаты равна 0,1 см, времени — 0,05 с. Алгоритм решения: Проверить истинность утверждения 1. Для этого необходимо установить зависимость ускорения тела, колеблющегося на пружине, от его координаты. Проверить истинность утверждения 2. Для этого необходимо установить зависимость кинетической энергии тела, колеблющегося на пружине, от его координаты. Проверить истинность утверждения 3. Для этого необходимо записать формулу, отображающую зависимость между силой, действующей на колеблющееся тело, и координатой этого тела. Затем найти модули силы для указанных значений времени и сравнить их. Проверить истинность утверждения 4. Для этого необходимо дать определение периоду колебаний, установить период колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 4. Проверить истинность утверждения 5. Для этого необходимо дать определение частоте колебаний, установить частоту колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 5. Записать ответ в виде последовательности цифр, не разделенных знаками препинания и пробелами. Решение: Проверяем истинность утверждения 1, согласно которому в момент времени 1,50 с ускорение груза максимально. Ускорение груза, колеблющегося на горизонтальной пружине, можно выразить из 2 закона Ньютона учитываем, что на тело действует сила упругости : Отсюда ускорение равно: Отношение жесткости пружины к массе груза постоянно, так как эти величины не изменяются.
Математическое описание
- Основные понятия
- Характеристика затухающих колебаний, какие колебания называют затухающими
- Определение и характеристики затухающих колебаний
- § 27. Незатухающие электромагнитные колебания
- Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
Характеристика затухающих колебаний, какие колебания называют затухающими
Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Уравнение незатухающих колебаний Незатухающие колебания являются одним из видов колебаний, при которых отсутствует потеря энергии со временем. Биологические незатухающие колебания Незатухающие колебания встречаются не только в физических системах, но и в биологических организмах. Однако незатухающие колебания возможны не только при периодическом внешнем воздействии, но и в некоторых других случаях — в так называемых автоколебательных и параметрических системах. Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения.
Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Примерами незатухающих колебаний являются осцилляции маятника, электромагнитные колебания в контуре, а также световые волны, распространяющиеся в оптических волокнах. Незатухающими колебаниями называют гармонические колебания с постоянной амплитудой.
Причины колебаний в разных системах
- Причины колебаний в разных системах
- Незатухающие колебания. Автоколебания
- Механические колебания
- Понятие резонанса
- Механические колебания • СПАДИЛО
Гармонические колебания и их характеристики.
Различают резонанс токов при параллельном соединении катушки и конденсатора и резонанс напряжений при последовательном соединении элементов. На принципах электрического резонанса функционируют такие приборы, как электрические резонансные трансформаторы, катушка Теслы и многие современные электронные устройства. Акустический резонанс С исследования именно этого вида резонанса всё и началось! Галилео Галилей в 1602 году исследовал маятники и струны различных музыкальных инструментов. Открытия, сделанные им, позволили сделать ряд выводов и создать новую отрасль физики — учение о звуковых колебаниях. Акустический резонанс — это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых совпадает с одной из ее собственных частот вибрации ее резонансными частотами. Благодаря акустическому резонансу музыкальные инструменты способны работать, воспроизводить звучание особенным образом.
Большую роль в этом играет форма инструмента. Звук, который издает струна, попадает внутрь корпуса и вступает там в резонанс со стенками, что в итоге многократно усиливает его. Грушевидная форма гитары, определенная длина флейты, форма барабана не являются результатом случайного выбора — с древних времен, путем проб и экспериментов, именно это строение каждого инструмента было выбрано из-за наилучшего акустического резонанса.
Тогда уравнение. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний.
Поэтому наша задача — это слагаемое скомпенсировать. Физически это означает, что в контур надо подкачать дополнительную энергию, т. Как же это сделать, не разрывая цепь? Проще всего воспользоваться магнитным полем — создать дополнительный магнитный поток, пронизывающий витки катушки контура. Для этого неподалеку от этой катушки нужно разместить еще одну катушку рис.
Вся эта длинная фраза, напоминающая «дом, который построил Джек»,— просто пересказ известного вам закона Фарадея для явления электромагнитной индукции. Понятно, что для него необходим источник энергии для пополнения потерь энергии в контуре и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства — электронную лампу или транзистор. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами — их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод — затвор — управляющего напряжения рис.
Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически? Это можно сделать двумя способами. Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его. Вспомните, например, как вы раскачиваете качели: либо толкнуть их, либо вывести их из положения равновесия и отпустить. Естественно, можно вывести их из положения равновесия и сообщить некий импульс. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания Свободные колебания могут совершаться за счет первоначального запаса энергии. Вернемся к предыдущим рассуждениям: в первом примере, который мы приводили, это была первоначальная энергия грузика, мы выводили его из положения равновесия, а потом отпускали. А во втором случае этот первоначальный запас энергии — это кинетическая энергия в случае, когда мы толкали грузик. Согласно закону сохранения энергии в обоих случаях сумма кинетической и потенциальной энергий маятника должна оставаться неизменной с течением времени. То есть, какое бы промежуточное значение маятника мы бы ни рассмотрели, в любой из них эта сумма равна начальной энергии маятника см. Иллюстрация закона сохранения энергии Однако на самом деле мы понимаем, что маятников, которые могли бы совершать колебания довольно долго, не существует — это какая-то абстракция. Учтём, что система маятников незамкнутая, то есть в системе присутствует сила трения. В реальных условиях мы можем взять тяжелый груз, подвесить его на очень длинную и легкую нить или проволоку, закрепить один конец на опоре и получить систему, близкую по своим свойствам к математическому маятнику. Однако нельзя сказать, что механическая энергия такого маятника будет сохраняться — мы прекрасно знаем, что рано или поздно он остановится. В чем же наша недоработка? Ответ прост: в данной системе присутствуют различные виды трения, действие которых приводит к потере на каждом периоде колебаний маятника какой-то части его энергии см. В системе присутствуют различные виды трения Силы трения могут быть внутренними например, в подвесе маятника , а могут быть и внешними например, со стороны окружающего воздуха или другой среды, в которой может находиться маятник. Естественно, что силы трения зависят от свойств среды: в воде колебания будут затухать быстрее, чем в воздухе см. Затухание в воздухе и воде В итоге амплитуда колебаний будет постепенно уменьшаться, и в конце маятник остановится. На рисунке представлены смещения груза маятника от времени: видно, что амплитуда постепенно уменьшается, стремясь к нулю, такие колебания называются затухающими см. Затухающие колебания — это колебания, которые происходят в незамкнутой системе, то есть колебания, которые происходят в том числе под действием силы трения. Амплитуда таких колебаний постепенно затухает. Большинство колебаний в мире — затухающие, так как в окружающем нас мире, постоянно существуют силы трения. Итак, мы выяснили: в реальности колебания маятников механических систем затухающие, то есть их амплитуда постепенно уменьшается, стремясь к нулю.
Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Они актуальны для упрощения решения практических задач: где не требуется высокая точность; поставленных с целью обучения школьников решать их; в системах, которые совершают много циклов до заметного снижения амплитуды. Незатухающие колебания превращается в затухающие, когда возникает потеря энергии. График затухающих колебаний выглядит следующим образом. Амплитуда и частота значит и периодичность синусоиды снижаются. При незатухающих характеристики остаются постоянными.
Гармонические колебания и их характеристики.
Многие привычные вещи в быту работают за счет колебаний. Маятник часов совершает строго периодические колебания. Мобильный телефон. Антенна телефона излучает и принимает радиоволны благодаря электромагнитным колебаниям. Колебания в технических устройствах. Незатухающие колебания лежат в основе работы многих технических систем.
Генераторы колебаний. Генераторы создают электрические колебания с помощью резонаторов и усилителей. Кварцевые генераторы. Кварцевые резонаторы обеспечивают высокую стабильность частоты благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Генераторы на диоде Ганна.
Диод Ганна использует электронно-дырочные переходы в полупроводниках для создания СВЧ-колебаний. Усилители наращивают амплитуду входного периодического сигнала за счет внешнего источника энергии. Усилители мощности. Ламповые или транзисторные усилители мощности используются для усиления колебаний передатчиков. Операционные усилители.
Операционные усилители на интегральных микросхемах применяются в измерительных приборах и системах автоматики. Излучатели и приемники. Колебания преобразуются в электромагнитные волны с помощью антенн, и наоборот. Радиопередатчики преобразуют электрические колебания в радиоволны с помощью излучающей антенны. Приемная антенна радиоприемника преобразует радиоволны в электрические колебания радиосигнала.
Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер якорек с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменена пружиной, а маятник — балансиром — маховичком, скрепленным со спиральной пружиной. Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир. Источником энергии — поднятая вверх гиря или заведенная пружина. Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод.
Так, частоты генераторов могут лежать в диапазоне от нескольких десятков герц низкие ноты в электрооргане до сотен мегагерц телевидение и даже до нескольких гигагерц спутниковое телевидение, радиолокаторы, используемые сотрудниками ГАИ для определения скорости автомобиля. Мощность, которую может отдать генератор потребителю, составляет от нескольких микроватт генератор в наручных часах до десятков ватт генератор телевизионной развертки , а в некоторых специальных случаях мощность может быть такой, что и писать нет смысла — все равно вы не поверите.
Форма колебаний возможна как самая простая — синусоидальная гетеродин радиоприемника или прямоугольная таймер компьютера , так и весьма сложная — «имитирующая» звучание музыкальных инструментов музыкальные синтезаторы. Конечно, мы не будем рассматривать все это разнообразие, а ограничимся совсем простым примером — маломощным генератором синусоидального напряжения умеренной частоты сотни килогерц. Уравнение процесса легко получить, приравняв с учетом знаков напряжения на конденсаторе и на катушке — ведь они включены параллельно рис. Решение этого уравнения хорошо известно — это гармонические колебания. Пусть, для определенности, вся неидеальность контура связана с тем, что у катушки, точнее — у провода, из которого она намотана, есть активное омическое сопротивление r рис. На самом деле, конечно, потери энергии есть и у конденсатора хотя на не очень высоких частотах сделать очень хороший конденсатор можно без особого труда. Да и потребитель отнимает у контура энергию, что также способствует затуханию колебаний. Одним словом, будем считать, что r — это эквивалентная величина, отвечающая за все потери энергии в контуре. Тогда уравнение.
К примеру, в случае с механической это наличие трения, а в случае с электромагнитным контуром — потеря тепла в проводниках, которые формируют систему. Когда будут израсходована вся энергия, запасенная колебательной системой, завершатся и колебания. Амплитуда их движения будет снижаться и стремиться к нулю до тех пор, пока не достигнет этого показателя. Затухающие колебания собственные и присутствующие в системах можно рассматривать с одной и той же позиции — общих качеств. Но при этом такие признаки как период и амплитуда нуждаются в переопределении, а прочие требуют дополнения и уточнения, если сравнивать их с аналогичными признаками собственных незатухающих колебаний. Общие характеристики затухающих колебаний — амплитуду затухающих колебаний определяет время; — их частота и период находятся в зависимости от степени затухания; — фаза и начальная фаза обладают тем же смыслом, что и в случае с незатухающими. Существуют ли условия, в которых свободные колебания будут незатухающими? Чтобы колебания были именно свободными, необходимо исключить любые силы, действующие на систему, помимо возвращающей.
Ликбез: почему периодические колебания затухают
Система сама управляет действующей на нее силой и регулирует поступление энергии из источника — батареи. Колебания не затухают именно потому, что за каждый период от батареи отбирается как раз столько энергии, сколько расходуется за то же время на трение и другие потери. Что же касается периода этих незатухающих колебаний, то он практически совпадает с периодом собственных колебаний груза на пружине, т. Автоколебания груза на пружине Подобным же образом возникают незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что в нем периодические толчки создаются отдельным электромагнитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке.
Аналогичным путем можно получить автоколебания со звуковыми частотами, например возбудить незатухающие колебания камертона рис. Когда ножки камертона расходятся, замыкается контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток, и электромагнит стягивает ножки камертона. Контакт при этом размыкается, и далее следует повторение всего цикла.
Автоколебания камертона Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь не при расхождении, а при сближении ножек, т.
Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат непрерывно включенным электромагнитом, т. Электромеханические автоколебательные системы применяются в технике очень широко, но не менее распространенными и важными являются и чисто механические автоколебательные устройства. Достаточно указать на любой часовой механизм.
Формула для расчета частоты резонанса в акустике: где — сила натяжения, — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны. Акустический резонанс играет большую роль и для нашего слуха. Благодаря нему наружное ухо усиливает звуки средней частоты, составляющие основную часть спектра речи, а также различает высоту звука и его тембр. Полезно знать Сегодня мы затронули понятие общественного и когнитивного резонанса, но не объяснили значение этих выражений. Общественный резонанс — событие, на которое общество дает яркий отклик. Когнитивный резонанс — полное совпадение во взглядах и мнениях. Многие слова и устойчивые выражения, которые мы используем в повседневной жизни, основаны на физических явлениях и законах. Резонанс, инерция, энергия, напряжение и многие другие термины встречаются нам ежедневно, но знаем ли мы, что они на самом деле означают?
Приходите на онлайн-курсы физики школы Skysmart: на них вы научитесь не только мастерски обращаться с научной терминологией, но еще и станете настоящим экспертом в исследовании мира через призму физики! А заодно подготовитесь к экзаменам и повысите оценки в школе.
Вся эта длинная фраза, напоминающая «дом, который построил Джек»,— просто пересказ известного вам закона Фарадея для явления электромагнитной индукции. Понятно, что для него необходим источник энергии для пополнения потерь энергии в контуре и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства — электронную лампу или транзистор. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами — их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод — затвор — управляющего напряжения рис. В полевом транзисторе с управляющим p—n-переходом — а мы дальше будем говорить именно о нем — затвор отделен от канала именно таким переходом, для чего область затвора делается противоположного по отношению к каналу типа проводимости. Например, если канал имеет примесную проводимость типа p, то затвор — типа n, и наоборот. Зависимость эта почти такая же, как и у электронной лампы триода. Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо.
Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре. А как можно повлиять на величину М?
Как только тело или система выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Эта сила называется возвращающей, она всегда направлена к положению равновесия, происхождение ее различно: а для пружинного маятника - сила упругости; б для математического маятника - составляющая сила тяжести.
Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.
Явление резонанса
Примеры применения: Электроника: Незатухающие колебания используются в радиоэлектронике для создания точных частотных генераторов. незатухающие колебания, так как амплитуда и, следовательно, полная энергия колебаний не менялись. Еще одним примером незатухающих колебаний является колебания вокруг равновесного положения пружины. Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. Примеры незатухающих колебаний в реальной жизни Незатухающие колебания встречаются во множестве различных систем и ситуаций в реальной жизни.
Свободные незатухающие колебания
Возбуждение незатухающих электрических колебаний возможно с помощью других методов, но все они подобны описанному. Главная» Новости» Незатухающие колебания примеры. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение. Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания — это колебания системы, которые продолжаются вечно без потери энергии. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы.
Понятие резонанса
- Определение и характеристики затухающих колебаний
- Что такое автоколебательные системы
- Что такое незатухающие колебания
- Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
- Определение затухающих колебаний