Колебательные процессы широко известны в природе и технике. Природа колебаний и сам колеблющийся объект могут быть различны: температура, атомы твердого тела, центр тяжести маятника, электрическое и магнитное поля и т.д. Среди них особое место занимают механические колебания. К данному виду колебаний можно отнести движение маятников, струн, мембран телефонов, поршней двигателей внутреннего сгорания, мостов и других сооружений, подвергнутых действию переменной силы.
Если в процессе движения маятник не испытывает сил трения и сопротивления, то его малые колебания (угол отклонения от положения равновесия < 6 градусов) можно считать гармоническими
2) Колебания, возникающие в системе, не подвергающейся переменным внешним воздействиям после первоначального толчка, называются свободными. Примером свободных колебаний являются колебания математического маятник. При наличии в системе сил трения или сопротивления свободные колебания будут затухающими.
Колебания, возникающие в системе под воздействием переменной внешней силы, называются вынужденными.
3)
При колебаниях маятника: - в положении равновесия скорость и, следовательно, кинетическая энергия тела максимальны. - потенциальная энергия маятника максимальна, когда кинетическая энергия (скорость) равна нулю.
При движении маятника из положения равновесия в положение с максимальным смещением кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию. При перемещении из положения с максимальным смещением в положение равновесия потенциальная энергия переходит в кинетическую.
Если колебания свободные, т.е. трение отсутствует, то выполняется закон сохранения механической энергии: сумма кинетической и потенциальной энергий остается неизменной.
Вынужденные колебания
Вынужденными колебаниями называются незатухающие колебания системы, которые вызываются действием внешней периодической силы.
Сила,
вызывающая вынужденные колебания,
называется вынуждающей
или возмущающей силой.
4) Волна́ — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры. продольные волны (волны сжатия, P-волны) — частицы среды колеблются параллельно (по) направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука);
поперечные волны (волны сдвига, S-волны) — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред);
волны смешанного типа.
5) Характеристики волнового процесса
Поскольку волна - это процесс распространения колебаний в пространстве, то для волнового процесса используются те же характеристики, что и для колебаний (T , ν ,φ ,ω ,A ), но вводятся еще и новые характеристики. Такими характеристиками являются: скорость волны - v, длина волны - λ, волновое число - k. При волновых процессах вводятся такие понятия, как фронт волны и волновая поверхность.
Фронтом волн называется поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли.
Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Волновых поверхностей существует бесчисленное множество, в то время как фронт волны один. Простейшие волновые поверхности - плоскости и сферы. Если волновые поверхности представляют собой плоскости, то волна называется плоской, если они представляют собой множество концентрических сфер, то это сферическая волна. На больших расстояниях от точечного источника можно небольшие участки волновой поверхности считать плоскими.
Скоростью волны v называется скорость перемещения волновой поверхности (фазовая скорость). Экспериментально ее можно найти, определив скорость перемещения фронта волны.
Длиной волны λ называется расстояние, пройденное волновой поверхностью за период колебаний. Длина волны вычисляется по формуле
Связь длины волны и частоты дается формул
6) Звук - механические колебания в упругих средах и телах (твердых, жидких, газообразных), частоты которых лежат в пределах 20 - 20000 гц (слышимый звук). <20 гц - инфразвук, > 20000 гц - ультразвук Звуковые волны имеют несколько основных свойств: • Распространение звуковых волн. Звуковые волны распространяются через воздух, жидкости и ткани человеческого организма почти исключительно в виде упругих волн. Последние представляют собой зоны, в которых молекулы, составляющие среду, попеременно разрежаются или уплотняются. Таким образом, звуковые волны могут распространяться через вещество и не распространяются в вакууме.
• Скорость распространения. Скорость звука при прохождении любых веществ относительно мала (для ткани около 1540 м/с). Следовательно, время прохождения звуковой волны может быть точно измерено и соотнесено с пройденным расстоянием с использованием принципа «время -расстояние».
• Отражение (частичное или полное) звуковых волн от поверхностей: степень отражения падающих на поверхность звуковых волн зависит от акустического сопротивления (импеданса):