Глава  Колебания и вибрация

1.1. Общие сведения о колебаниях и вибрации как о механических явлениях

Колебания и вибрация в природе встречаются повсеместно, они охватывают самые различные часто физически отдаленные друг от друга явления: колеблется жидкость в сосуде при толчках, колеблется тем­пература воздуха, колеблется судно, опускаясь и подни­маясь, переваливаясь с борта на борт, колеблется электрическое напряжение в сети, вибрируют основания машин. Роль этих процессов в природе может оказаться двоякой: в ряде слу­чаев они вредны, в других полезны и даже жизненно необходимы. Так, в природе вредными можно считать землетрясения с их разрушитель­ным действием, вибрацию фундамента под работающей машиной, вибрацию режущего инструмента при обработке на станках, усталостное разрушение метала, армированной пластмассы и других конструкционных материалов вследствие вибрации, самоотвинчивание гаек. К полезным действиям этих процессов можно отнести: распространение звука и ультразвука как источника информации в животном мире, использование силовых свойств вибрации для создания технологических машин, в лечебной практике и многие другие.

Дать абсолютно точное научное определение понятия «колебания» достаточно сложно. Колебания – это не есть за­фиксированное состояние объекта (системы). Колебания – это процесс, характеризующий изменение состояния, т. е. изменение во времени величин, определяю­щих это состояние. Процесс колебаний состоит в том, что некая величина, свя­занная с рассматриваемым объектом, во времени поочеред­но то возрастает, то убывает. Процесс колебаний возникает в различных физических условиях и относится к различным объектам. Можно выделить меха­нические, электрические, тепловые колебания.

Механические колебания – процесс изменения какой-нибудь механической величины, определяющей положение материального тела или его точки, при котором эта величина или величина, характеризующая скорость ее изменения, поочередно то возрастает, то убывает во време­ни.

Это определение в отдельных случаях может оказаться неполным. Например, при движении материальной точки, задаваемой тремя декартовыми координатами, может ока­заться, что одна из координат то возрастает, то убывает, а две другие не обладают этим свойством. Так, возможна такая ситуация, при которой движение точки слагается из неколебательного движения и колеба­тельного, причем в суммарном движении координаты точки не удовлетворяют условиям колебаний. В данном случае нужно искать признак колебаний в скорости изменения координаты.

Вибрация - это тоже процесс механиче­ских колебаний. Термин «вибрация» относит­ся только к механическим колебаниям. В английском языке вибрация (vibration) есть эквивалент понятия механических колебаний. Но не всякие меха­нические колебания принято называть вибрацией.

Понятие «вибрация» пока не получило точного научного определения. Однако можно указать на некоторые признаки, выделяющие вибрацию в классе механических колеба­ний.

С понятием «вибрация» мы обычно связываем относитель­но малые отклонения отдельных точек тела. Например, виб­рирует фундамент, корпус самолета, сиденье в автомобиле, подшипник, вибрирует междуэтажное перекрытие здания. Но нельзя, например, сказать, что качания маятника, кото­рые, безусловно, относятся к механическим колебаниям,— это тоже вибрация. Физический маятник, совершая колеба­ния вправо-влево, может одновременно испытывать и виб­рацию, если его точка подвеса находится на вибрирующей стене, от которой передается вибрация, или если он доста­точно гибок и вибрирует как упругое тело.

Таким образом, один из признаков вибрации – отно­сительно малые отклонения тела или его точек при механи­ческих колебаниях (предполагаются малые отклонения по отношению к характерным размерам тела).

Другой признак вибрации – частота, т. е. число циклов, совершаемых телом или его отдельными точка­ми в единицу времени. Обычно вибрация совершается с большей частотой, чем колебания. Например, колебания судна при качке имеют большие отклонения при малой частоте, а вибрация обшивки корпуса — малые отклонения при большой частоте.

Наконец, есть еще один признак вибрации, относящийся к физической характеристике объекта и к природе происхождения процесса.

Во-первых, вибрации подвержены упругие тела – стерж­ни, мембраны, пластины, оболочки и др., т. е. вибрация – это «малые» колебания упругих тел. Вибрирует под фунда­ментом грунт, обладающий упругими свойствами; вибри­руют опоры линий электропередачи, представляющие собой металлические конструкции с упругими свойствами; вибри­руют упругие трубы, по которым течет жидкость, и т. д.

Во-вторых, вибрации подвержены тела, находящиеся под воздействием переменного физического тела. Вибрируют частицы сыпучих тел в поле переменных сил трения на вибрирующей платформе или в лотке; вибрируют корпуса электрических генераторов, трансформаторов под воздействием перемен­ных электромагнитных сил.

Итак, вибрация – это малые механические колебания, возникающие в упругих телах или телах, находящихся под воздействием переменного физического поля.

Таким образом, если понятие «колебания» имеет науч­ное определение, то понятие «вибрация», точнее, разграничение между понятиями «колебания» и «вибрация», пока определяется приближенно. Это разграничение отражает не столько научное определение понятий, сколько сложившуюся практику.