какие колебания являются гармоническими

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

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.

Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)

Записаться на марафон

Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)

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

Гармонические колебания. Характеристики гармонических колебаний

Урок 36. Подготовка к ЕГЭ по физике. Часть 1. Механика.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Гармонические колебания. Характеристики гармонических колебаний»

Данная тема посвящена гармоническим колебаниям и их характеристикам.

Окружающий нас мир наполнен разнообразными колебательными дви­жениями и процессами: колеблются ветки деревьев и кузов автобуса при движении. Колебания струн под руками умелого музыканта вызывают колебания воздуха, и слышится прекрасная музыка.

Кроме того, многие важнейшие процессы внутри организма человека явля­ются колебательными: сердце человека в спокойном состоянии совершает око­ло одного колебательного движения в секунду, под действием повторяющихся нервных импульсов каждая мышца в теле человека непрерывно то сокращается, то растягивается.

Таким образом, колебанием называется процесс, при котором какая-либо физическая величина, характеризующая этот процесс, последовательно изменяется то в одну, то в другую сторону около некоторого своего среднего значения. Например, на качелях, подвешенных на веревках, человек отклоняется то вперед и вверх, то назад и вверх от положения равновесия. Говорят, что качели являются колебательной системой.

Таким образом, механической колебательной системой называется совокупность тел, в которой могут происходить колебательные процессы.

Наиболее простыми механическими колебательными системами являются: вертикаль­ный пружинный маятник, который образуют Земля, штатив, пружина и груз; физический маятник, образованный Землей, штативом и шариком на нити; и горизонтальный пружинный маятник — это два штатива, две пружи­ны и шарик.

Колебательный процесс в системе может происходить под действием как внутренних, так и внешних сил. Если колебания в системе происходят только под действием внутренних сил, то их называют свободными колебаниями.

А если колебания тела повторяются через определен­ный промежуток времени, то их называют периодическими.

Рассмотрим условия, которые необходимы для того, чтобы в системе могли возникнуть свободные колебания:

1) Необходимо наличие положения устойчивого равновесия.

2) Необходимо наличие у тела избыточной механической энергии по сравнению с ее энергией в положении устойчивого равновесия, так как самопроизвольно (то есть без внешнего воздействия) система не может выйти из положения равновесия.

3) на тело должна действовать возвращающая сила, то есть сила, всегда направленная к положению устойчивого равновесия.

4) В идеальных колебательных системах должны отсутствовать силы сопротивления.

Теперь рассмотрим некоторые важные характеристики колебательного движения.

Периодом колебания называется промежуток времени, в течение которого совершается одно полное колебание.

Частота колебаний — это величина, об­ратная периоду, равная числу колебаний, совершенных системой за одну секунду.

В СИ период измеряется в секундах, а частота — в герцах.

Смещением называется любое откло­нение физической величины от ее значе­ния в положении равновесия и измеряемая расстоянием от положения равновесия до положения точки в заданный момент времени.

Амплитудой называется максималь­ное смещение тела от положения равновесия.

Простейшим видом колебаний являются гармонические колебания. Термин «гармонические колебания» впервые был введен в науку швейцарским физиком Даниилом Бернулли. Гармоническими называются колебания, при которых какая-либо величина изменяется с тече­нием времени по закону синуса или косинуса.

Например, гармонические колебания фи­зического маятника можно зарегистрировать следующим способом. В качестве груза взять небольшой стакан с песком, который мо­жет высыпаться через очень маленькое отверстие снизу.

Если под колеблющимся маятником двигать равномерно по столу бумажную ленту, то полученная на бумаге кри­вая представляет собой синусоиду или косинусоиду в зависи­мости от выбора начального момента времени наблюдения (момента отсчета времени).

Чтобы установить основные кинематические признаки гармонических коле­баний, рассмотрим их математическую модель на примере изменения физичес­ких величин, характеризующих движение материальной точки по окружности с постоянной угловой скоростью. Начало координат поместим в центре окружности радиуса R. Пусть в начальный момент времени материальная точка находилась в положении M₀ и ее радиус-вектор составлял с осью Ox угол j₀.

Через промежуток времени t точка переместится в положение M, а ее радиус-вектор при этом повернется на угол Dj и составляет в данный момент с осью Ox угол

Запишем теперь координаты точки в этот момент времени

Теперь расположим перпендикулярно друг к другу два экрана и будем освещать движущийся шарик. На вер­тикальном экране тень от шарика будет двигаться вдоль оси Oy по закону:

То есть совершать колебания возле начала координат. На горизонтальном экране тень шарика будет двигаться вдоль оси Ox по закону:

И также совершать колебания около начала координат.

Величина, стоящая под аргументом синуса или косинуса, или, в вы­бранной системе отсчета, угол между радиус-вектором и осью абсцисс называется фазой колебания.

Начальная фаза колебания j₀ характеризует положение точки в началь­ный момент времени.

Тогда мгновенные значения координат x и y, можно рассматри­вать как смещения шарика от нулевого значения, а модуль амплитудного значения для обеих координат равен радиусу окружности.

Таким образом, кинематический закон любого гармонического движения можно представить в виде:

Следовательно, графически зависимость смещения колеблющейся точки от времени изображается косинусоидой или синусоидой.

В записанных уравнениях w — это циклическая (или круговая) частота, которая показывает, сколько колебаний совершает материальная точка за 2p секунд. Соответственно, в системе СИ она измеряется в радианах на секунду.

Рассмотрим, как изменяются проекции скорости и ускорения колеблющейся точки со временем для случая, когда начальная фаза колебаний равна нулю.

Начнем со скорости. Для этого найдем первую производную по времени от кинематического закона гармонических колебаний.

В полученном выражении произведение циклической частоты и амплитуды колебаний — это есть амплитуда проекции скорости на ось координат.

Таким образом видим, что при гармонических колебаниях проекция скорости тела на координатную ось тоже изменяется по гармоническому закону с той же частотой, но с другой амплитудой и опережает по фазе смещение на p/2.

Теперь рассмотрим ускорение. Для этого найдем производную от проекции скорости по времени.

Величина, равная произведению квадрата циклической частоты и амплитуды колебаний, является амплитудой проекции ускорения.

Как видно из формулы, при гармонических колебаниях проекция ускорения опережает смещение по фазе на p. Говорят, что проекция ускорения изме­няется с течением времени в противофазе изменению координаты.

Учитывая кинематический закон гармонического движения получим, что при гармонических колебаниях проекция ускорения прямо пропорциональна смещению и противоположна ему по знаку, то есть направлено в сторону, противоположную смещению.

Так как проекция ускорения — это вторая производная от смещения по времени, то последнее соотношение можно записать в виде:

Это уравнение называется уравнением гармонических колебаний.

Рассмотрим процесс превращения энергии при гармонических колебаниях на примере идеального горизонтального пруженного маятника. Горизонтальный уровень, на котором находится маятник, выбираем за нулевой уровень отсчета потенциальной энергии маятника в поле силы тяжести.

Если вывести тело из положения равновесия, например, сжав пружину на некоторую величину, то сообщается этому телу некоторый запас потенциальной энергии.

После прекращения внешнего воздействия, тело придет в движение. При движении к положению равновесия его потенциальная энергия убывает, а кинетическая наоборот, возрастает, так как деформация пружины уменьшается, а скорость движения тела увеличивается. В момент прохождения телом положения равновесия его потенциальная энергия равна нулю, а вот кинетическая энергия будет максимальна.

После прохождения положения равновесия скорость тела начинает уменьшаться, а пружина растягивается. Следовательно, кинетическая энергия тела начинает убывать, а потенциальная наоборот — возрастать. В точке максимального отклонения тела его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная — максимальна.

Таким образом, при колебаниях периодически происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Полная механическая энергия такой колебательной системы равна сумме его кинетической и потенциальной энергий.

Если смещение материальной точки, совершающей колебания, изменяется с течением времени по гармоническому закону, то, как известно, и скорость тела изменяется также по гармоническому закону. Следовательно, кинетическую и потенциальную энергию колеблющегося тела можно задать следующими функциями

Из этих формул видно, что кинетическая и потенциальная энергии изменяются тоже по гармоническому закону, с одинаковой амплитудой и в противофазе друг с другом.

А вот полная механическая энергия системы, равная сумме кинетической энергии тела и упругой энергии пружины, остается неизменной и равной начальной максимальной потенциальной энергии, либо его кинетической энергии в момент прохождения положения равновесия.

В реальных условиях на маятник всегда действуют силы сопротивления, поэтому полная энергия уменьшается, и свободные колебания маятника с течением времени затухают, то есть их амплитуда уменьшается до нуля. Такие колебания называются затухающими.

Рассмотрели, какое движение называется колебательным и что называют свободными колебаниями. Повторили основные характеристики колебательного движения. Вспомнили, какие колебания называются гармоническими и рассмотрели, какие превращения энергии происходят при гармонических колебаниях.

Источник

• ← какие колебания происходят в световой волне
• какие колебания являются свободными →