§ 7. Гармонічні і некармонічні коливання в природі н техніці

Теорія гармонічних коливань відіграє у фізиці винят­кову за своїм значенням роль. Вчення про гармонічні ко­ливання використовується у всіх розділах фізики: в теорії пружності, в акустиці, у вченні про електрику, в оптиці, молекулярній фізиці, теорії атома. Універсальне засто­сування вчення про гармонічні коливання пояснюється двома обставинами. По-перше, гармонічне коливання — це рух, обумовлений силою, пропорційною відхиленню х від положення рівноваги. Якою б не була в дійсності

залежність сили від х і яким би складним за формою не було обумовлене нею коливання, завжди це коливання можна розглядати як суму простих гармонічних коливань. Тому теорія гармонічних коливальних рухів застосовується при дослідженні майже всіх періодичних процесів. Більше того, розкладання на прості гармонічні коливання ви­являється можливим не лише для періодичних, а й для ти­пово неперіодичних процесів (окремий імпульс, затухаючі коливання тощо).

Друга обставина полягає в тому, що багато коливаль­них систем під час зовнішнього періодичного впливу на них «відгукуються» (резонують) на гармонічні коли­вання, частота яких наближається до частоти власних коливань системи.

Затухаючі коливання зустрічаються в різних галузях техніки і в природі. У багатьох випадках затухання ко­ливань — бажане і корисне явище. Його підтримують за допомогою відповідних механізмів і пристроїв (поглиначі коливань фундаментів і машин (амортизатори), поглиначі бокового гойдання кораблів, повітряні чи рідинні заспо­коювачі коливань тощо).

Але є випадки, коли затухання коливань — небажане \ шкідливе. Його намагаються усунути зменшенням впли­ву тертя й опору середовища, застосуванням змащення, заміною тертя ковзання тертям кочення за допомогою підшипників тощо.

Особливо часто в техніці виникає необхідність у гасінні коливань, тобто у створенні умов, при яких витрата енергії коливальної системи штучно збільшується.

Парова машина, газові й парові турбіни, електричні машини й двигуни часто починають коливатися внаслі­док обертання незрівноважених частин (валів, роторів, дисків тощо), наявності деталей (шатунів, поршнів тощо), які рухаються зворотно-поступально. Причиною виник­нення коливань можуть бути: часта зміна тиску газу, вихлопи тощо. Такі коливання (вібрації) ведуть до перед­часного спрацювання машин в цілому і окремих деталей, а іноді можуть бути причиною аварій. Утворення вихорів під час польоту літака також породжує вібрації, які можуть досягти небезпечного рівня. У вимірювальних при­ладах покажчики (стрілка, дзеркало на нитці тощо) іноді здійснюють тривалий час коливання навколо положен­ня, яке відповідає виміряному значенню величини, що утруднює точний відлік.

Пристрої, за допомогою яких можна штучно збільшу­вати затухання коливань у системі, носять назву демп­ферів або демпфуючих пристроїв. Прикладом може бути автомобільний амортизатор, який запобігав розгойдуванню кузова на ресорах під час їзди на нерівній, дорозі.

§ 8. Вільні електромагнітні коливання в контурі

Одночасні періодичні зміни взаємозв'язаних між собою електричного (Е) і магнітного {б) полів мають назву електромагнітних коливань. Щоб дістати електромагнітні коливання, треба мати електричне коло, в якому енергія електричного поля могла б перетворюватися в енергію магнітного і навпаки. Оскільки магнітне поле зосереджене в основному в дротяних котушках, а електричне — в кон­денсаторах, то найпростіше коло для утворення електро­магнітних коливань має складатися з конденсатора й котушки. Таке коло називають коливальним контуром. Активний опір коливального контуру має бути досить малим, інакше електромагнітні коливання в контурі не виникатимуть.

Щоб дістати в контурі електромагнітні коливання, до­статньо зарядити конденсатор і замкнути його на котушку (мал. 15). Під час розряджання конденсатора виникав електричний струм, сила якого з часом зростає, і зв'язане із струмом магнітне поле. В момент повного розряджання напруженість електричного поля конденсатора буде дорів­нювати нулю, а індукція магнітного поля струму досягне максимуму. В наступний момент часу магнітне поле стру­му почне слабнути, внаслідок чого в котушці індукувати­меться струм, напрямлений (згідно з правилом Ленца) у той самий бік, куди йшов струм розряджання конден­сатора. Завдяки цьому конденсатор буде перезаряджатися. Потім конденсатор знову розряджатиметься, викликаючи появу струму і магнітного поля. Таким чином, у контурі виникнуть електромагнітні коливання, під час яких від­бувається періодична зміна різниці потенціалів між обкладками конденсатора та сили струму в контурі і одно­часно — електричного поля конденсатора і магнітного поля котушки.

Якщо створити електромагнітні коливання можна просто, то значно складніше їх спостерігати. Адже без-

посередньо не видно ні перезаряджання конденсатора, ні зростання сили струму в котушці, ні виникнення магніт­ного чи електричного полів. Крім того, електромагнітні коливання відбуваються звичайно з дуже великою час­тотою.

Повільні електромагнітні коливання можна спостері­гати за допомогою коливального контуру (мал. 16), який складається з батареї конденсаторів С ємністю 60 мкФ і котушки індуктивності L з 3600 витками від універсаль­ного трансформатора. Як індикатор коливань в коло вмикають демонстраційний гальванометр. Якщо зарядити конденсатор і замкнути його на котушку, то стрілка гальва­нометра здійснить кілька затухаючих коливань з частотою близько 2 Гц.

Значно зручніше спостерігати і досліджувати електро­магнітні коливання за допомогою електронного осцило­графа. Зарядимо конденсатор С від джерела постійного струму і замкнемо його на котушку індуктивності L, па­ралельно якій увімкнено електронний осцилограф (мал. 17). На екрані дістанемо криву залежності заряду (сили струму в колі) від часу — осцилограму коливань заряду (сили струму). Амплітуда цих коливань швидко зменшується, тобто коливання швидко затухають.

Розглянуті електромагнітні коливання дістали назву власних, або вільних коливань, оскільки вони здійснюю­ться без впливу зовнішньої (змушуючої) сили. Власні коливання є коливаннями затухаючими; амплітуда їх з часом зменшується. Причиною затухання є перетворення енергії струму у внутрішню енергію проводів, оскільки вони мають опір, і на випромінювання електромагнітних хвиль.