ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Колебательное движение – это движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени, при котором тело многократно и в разных направлениях проходит положение .
Колебательное движение наряду с поступательным и вращательным является одним из видов .
Физическая система (или тело), в которой при отклонении от положения равновесия возникают колебания, называется колебательной системой. На рис.1 представлены примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна.
Рис.1. Примеры колебательных систем: а) нить + шарик + Земля; б) груз + пружина; в) натянутая струна
Если в колебательной системе отсутствуют потери , связанные с действием , то колебания будут продолжаться бесконечно долго. Такие колебательные системы называются идеальными. В реальных колебательных системах всегда существуют потери энергии, обусловленные силами сопротивления, в результате чего колебания не могут продолжаться бесконечно долго, т.е. являются затухающими.
Свободные колебания – это колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил. – колебания, возникающие в системе под действием внешней периодической .
Условия возникновения свободных колебаний в системе
- система должна находиться в положении устойчивого : при отклонении системы от положения равновесия должна возникать сила, стремящаяся вернуть систему в положение равновесия — возвращающая ;
- наличие у системы избыточной механической энергии по сравнению с ее энергией в положении равновесия;
- избыточная , полученная системой при смещении ее из положения равновесия, не должна быть полностью израсходована на преодоления сил трения при возвращении в положение равновесия, т.е. в системе должны быть достаточно малы.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какие из приведенных движений являются примером механических колебаний: а) движение крыльев стрекозы; б) движение парашютиста, опускающегося на землю; в) движение Земли вокруг Солнца; г) движение травы на ветру; д) движение шарика на дне сферической чаши; ж) движение качелей? В каких случаях колебания являются вынужденными и почему? |
| Ответ | Примером являются следующие случаи: а) движение крыльев стрекозы; г) движение травы на ветру; д) движение шарика на дне сферической чаши; ж) движение качелей. Во всех этих случаях тела совершают движения, повторяющиеся во времени, проходя одни и те же положения в прямом и в обратном порядке. Земля, оборачиваясь вокруг Солнца, совершает повторяющееся движение, однако она не меняет направление своего движения, поэтому случай в) движение Земли вокруг Солнца; не является примером механических колебаний.
Вынужденными колебаниями являются случаи а) движение крыльев стрекозы; и г) движение травы на ветру. В обоих случаях колебания совершаются под действием внешней силы (в первом случае – силы мышц стрекозы, во втором случае – силы ветра). В случае ж) движение качелей колебания будут вынужденными, если время от времени раскачивать качели. Если же вывести качели из положения равновесия и отпустить, колебания будут свободными. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Колебания каких из приведенных ниже тел будут свободными: а) поршень в цилиндре двигателя; б) игла швейной машины; в) ветка дерева после того, как с нее слетела птица; г) струна музыкального инструмента; д) конец стрелки компаса; е) мембрана телефона при разговоре; ж) чаши рычажных весов? |
| Ответ | Колебания будут свободными в случаях: в) ветка дерева после того, как с нее слетела птица; г) струна музыкального инструмента; д) конец стрелки компаса и ж) чаши рычажных весов. Во всех этих случаях внешнее усилие только выводит систему из положения равновесия, колебания же в системе совершаются под действием внутренних сил. В случаях в), и г) это силы упругости, в случае д) – сила со стороны магнитного поля Земли в случае ж) – это |
>>Физика: Виды колебаний
Колебания пружинного и нитяного маятников , которые были рассмотрены в предыдущих параграфах, называют свободными. Свободные
колебания происходят "сами по себе", без воздействия внешних периодически изменяющихся сил. При наличии таких сил колебания называют вынужденными
.
Тряска автомобиля, движущегося по неровной дороге, вибрации кормовой части судна, связанные с работой гребного винта, движение качелей, которые кто-то периодически подталкивает,- вее это вынужденные колебания.
Для изучения вынужденных колебаний можно использовать установку, изображенную на рисунке 36. На кривошипе с ручкой укрепляют пружинный маятник. При равномерном вращении ручки на груз через пружину будет передаваться действие периодически изменяющейся силы. Изменяясь с частотой, равной частоте вращения ручки, эта сила заставит груз совершать вынужденные колебания.
Несмотря на внешнюю схожесть, между свободными и вынужденными колебаниями есть существенные различия.
Из-за наличия трения и сопротивления среды свободные колебания затухают: их энергия и амплитуда с течением времени уменьшаются. Вынужденные колебания являются незатухающими: энергетические потери в процессе этих колебаний компенсируются поступлением энергии от источника внешней силы.
Частота и период вынужденных колебаний могут быть какими угодно; они совпадают с частотой и периодом изменений внешней силы (например, частотой вращения ручки на рисунке 36). Свободные колебания могут происходить лишь с совершенно определенными частотами и периодами, зависящими от характеристик колебательной системы. Так, например, пружинный маятник характеризуется массой т и жесткостью пружины k; ими и определяется период свободных колебаний груза на пружине:
Период свободных колебаний нитяного маятника зависит от длины нитиl
и ускорения свободного падения g:
От массы тела период колебаний нитяного маятника не зависит.
Зная период, можно найти частоту свободных колебаний. Ее называют собственной частотой
колебательной системы. Такое ее название обусловлено тем, что у каждой колебательной системы она своя и изменить ее (не изменяя параметров самой системы) невозможно.
В природе и технике встречаются колебания самых разных частот. Так, например, собственная частота маятника, колеблющегося в Исаакиевском соборе в Петербурге, равна 0,05 Гц; частота колебаний железнодорожного вагона на рессорах составляет около 1 Гц; камертоны совершают колебания с частотами от десятков герц до нескольких килогерц, а частота колебаний атомов в молекулах может достигать миллионов мегагерц!
Свободные колебания с течением времени затухают. Поэтому на практике чаще используют не свободные, а вынужденные колебания . Наиболее широко они применяются в различных вибрационных машинах
. Об одной из них - отбойном молотке - уже рассказывалось в учебнике для VII класса. В вибрационных машинах другого типа вынужденные колебания возникают в результате периодических воздействий со стороны неуравновешенных вращающихся роторов (так называемых дебалансов). Примером машины подобного типа является вибромолот.
Вибромолот
- это ударно-вибрационная машина, предназначенная для забивки в грунт различных свай, труб и т. д. Схема этой машины показана на рисунке 37. Вибромолот с помощью пружинной подвески 1 соединяют со сваей 2. При вращении дебалансов 3 возникают вынужденные колебания, сопровождающиеся ударными импульсами бойка 4 по наковальне 5 погружаемой сваи. Грунт под сваей разрыхляется, и под действием силы тяжести свая опускается вниз.
1. Какие колебания называют свободными? Приведите примеры. 2. Какие колебания называют вынужденными? Приведите примеры. 3. К каким колебаниям - свободным или вынужденным - относятся следующие явления: движение поршня в двигателе внутреннего сгорания; вибрация стола, вызванная падением на него тяжелого предмета; перемещение иглы в работающей швейной машине; вертикальные перемещения поплавка на волнах; колебания струны, возникшие после однократного воздействия? 4. Почему свободные колебания с течением времени затухают, а вынужденные нет? 5. Чем определяется частота свободных колебаний? Почему ее называют собственной частотой колебательной системы? 6. По каким формулам находится период свободных колебаний пружинного и нитяного маятников? 7. В каких машинах применяются вынужденные колебания?
Отослано читателями из интернет-сайтов
Физика скачать , физика учебник, физика уроки, тесты физика , урок физики, физика книги, учебники по физике, рефераты с физики, физика в школе, физика онлайн , физика тесты ответы
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЛекция. 1. Колебания. Форма колебаний. Виды колебаний. Классификация. Характеристики колебательного процесса. Условия возникновения механических колебаний. Гармонические колебания.
Колеба́ния - повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Колебательные процессы широко распространены в природе и технике, например качание маятника часов, переменный электрический ток и т. д. Физическая природа колебаний может быть разной, поэтому различают колебания механические, электромагнитные и др. Однако различные колебательные процессы описываются одинаковыми характеристиками и одинаковыми уравнениями. Отсюда следует целесообразность единого подхода к изучению колебаний различной физической природы.
Форма колебаний может быть разной.
Колебания называются периодическими, если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени рис.1. (В противном случае колебания называются апериодическими). Выделяют важный частный случай гармонических колебаний (рис.1).
Колебания, приближающиеся к гармоническим называются квазигармоническими.
Рис.1. Виды колебаний
Колебания различной физической природы имеют много общих закономерностей и тесно взаимосвязаны c волнами. Исследованиями этих закономерностей занимается обобщённая теория колебаний и волн. Принципиальное отличие от волн: при колебаниях не происходит переноса энергии, это, локальные, «местные» преобразования энергии.
Виды колебаний. Колебания различаютс я по природе:
механические (движение, звук, вибрация),
электромагнитные (например, колебания в колебательном контуре, объёмном резонаторе, колебания напряжённостей электрического и магнитного полей в радиоволнах, волнах видимого света и любых др. электромагнитных волнах),
электромеханические (колебания мембраны телефона, пьезокварцевого или магнитострикционного излучателя ультразвука);
химические (колебания концентрации реагирующих веществ, при так называемых периодических химических реакциях);
термодинамические (например, так называемое поющее пламя и др. тепловые автоколебания, встречающиеся в акустике, а также в некоторых типах реактивных двигателей);
колебательные процессы в космосе (большой интерес в астрофизике представляют колебания яркости звезд цефеид (пульсирующие переменные звезды сверхгиганты, изменяющие блеск с амплитудой от 0,5 до 2 звезной величины и периодом от 1 до 50 суток);
Таким образом, колебания охватывают огромную область физических явлений и технических процессов.
Классификация колебаний по характеру взаимодействия с окружающей средой :
свободные (или собственные) - это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия (в реальных условиях свободные колебания почти всегда затухающие).
Например, колебания груза на пружине, маятника, моста, корабля на волне, струны; колебания плазмы, плотности и давления воздуха при распространении в нём упругих (акустических) волн.
Чтобы свободные колебания были гармоническими, необходимо, чтобы колебательная система была линейной (описывалась линейными уравнениями движения), и в ней отсутствовала диссипация энергии (последняя вызвает затухание).
вынужденные - колебания, протекающие в системе под влиянием внешнего периодического воздействия. При вынужденных колебаниях может возникнуть явление резонанса: резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадении собственной частоты осциллятора и частоты внешнего воздействия.
автоколебания - колебания, при которых система имеет запас потенциальной энергии, расходующейся на совершение колебаний (пример такой системы - механические часы). Характерным отличием автоколебаний от свободных колебаний является, то, что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальными условиями.
параметрические - колебания, возникающие при изменении какого-либо параметра колебательной системы в результате внешнего воздействия,
случайные - колебания, при которых внешняя или параметрическая нагрузка является случайным процессом,
связанные колебания - свободные колебания взаимно связанных систем , состоящих из взаимодействующих одиночных колебательных систем. Связанные колебания имеют сложный вид вследствие того, что колебания в одной системе влияют через связь (в общем случае диссипативную и нелинейную) на колебания в другой
колебания в структурах с распределенными параметрами (длинные линии, резонаторы),
флуктуационные , происходящие в результате теплового движения вещества.
Условия возникновения колебаний.
1. Для возникновения колебания в системе необходимо вывести её из положения равновесия. Например, для маятника сообщив ему кинетическую (удар, толчок), либо – потенциальную (отклонение тела) энергию.
2. При выведении тела из положения устойчивого равновесия возникает равнодействующая сила, направленная к положению равновесия.
С энергетической точки зрения это значит, что возникают условия для постоянного перехода (кинетической энергии в потенциальную, энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.
3. Потери энергии системы за счет перехода в другие виды энергии (часто в тепловую энергию) малы.
Характеристики колебательного процесса .
На рис.1 представлен график периодического изменения функции F(x), которое характеризуется параметрами:
Амплитуда - максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы.
Период - наименьший промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), T (c).
Морской колледж Севастопольского государственного университета – старейшее учебное заведение среднего специального образования в Севастополе. Его история началась почти 100 лет назад, когда в 1921 году решением Крымского народного комиссариата просвещения в городе был организован Севастопольский народный политехнический техникум.
Среди выпускников колледжа разных лет – Михаил Федорович Харченко - командир бронепоезда «Железняков», оборонявшего Севастополь в 1941-1942 г.г., героически погибшая при освобождении города санинструктор Евгения Дерюгина, известный ученый в области турбинных двигателей, доктор технических наук, профессор, действительный член Нью-Йоркской Академии наук Н.Н. Салов, бывший главный строитель Севастопольского Морского завода С. Л. Слуцкер, кандидат экономических наук, доцент, заведующий кафедрой экономики предприятия Севастопольского государственного университета А.Г. Баранов и тысячи других уважаемых специалистов, которые внесли заметный вклад в создание и укрепление экономического и оборонного могущества нашей страны.
Сегодня Морской колледж осуществляет подготовку специалистов среднего звена (техников) по семи специальностям, в области судовождения, эксплуатации судовых энергетических установок, эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматики, технического обслуживания и ремонта автомобилей, технической эксплуатации и обслуживания электрического и электромеханического оборудования, финансов, а также техников-программистов. Материальная и учебно-лабораторная база колледжа соответствует Федеральным государственным образовательным стандартам, что подтверждено в ходе лицензирования и аккредитации в 2015 г. Подготовка в колледже ведется за счет средств федерального бюджета, а студенты, не прошедшие по конкурсу на бюджетные места, обучаются на платной основе.
Обучение в колледже предполагает изучение на первом и частично на втором курсе программы десятого и одиннадцатого классов средней школы, а также получение глубокой теоретической и обширной практической подготовки по выбранной специальности. Все преподаватели колледжа имеют высшее специальное образование, обладают большим практическим опытом и профессиональным педагогическим мастерством, соответствующим первой и высшей категории. Ряд дисциплин преподают выпускники аспирантуры, кандидаты наук, доценты, В подготовке будущих моряков задействованы опытные старшие судовые механики, штурманы и капитаны дальнего плавания.
Директор Морского колледжа
– Мануйленко Валентина Владимировна, кандидат педагогических наук.
Специфика обучения в колледже предполагает изучение междисциплинарных курсов, обеспечивающих неразрывное единство теоретической и практической подготовки. Практическая подготовка начинается на втором курсе и продолжается до завершения обучения. Колледж имеет лучшие в Крыму учебно-производственные мастерские, позволяющие студентам в период обучения получить практические навыки по ряду рабочих профессий. Основные партнеры Морского колледжа в организации плавательной практики для студентов морских специальностей – ПАО «Океанрыбфлот» (г. Петропавловск-Камчатский), а также севастопольские и крымские рыболовецкие, транспортные, судоремонтные предприятия - «Морской колокол», «Южная морская компания», «Южморсервис» и др. Суда этих предприятий являются базой для плавательной практики студентов колледжа, успешное прохождение которой дает возможность получения рабочих морских документов и дальнейшего трудоустройства по специальности, с последующим карьерным ростом до второго помощника капитана либо второго механика включительно.
Студенты колледжа проявляют большую социальную и творческую активность , участвуя в спортивных, военно-патриотических и культурных мероприятиях различного уровня - от университетского до Всероссийского. Одна из недавних весомых побед студентов Морского колледжа - второе общекомандное место на Морской универсиаде-2015, проходившей 8 мая 2015 г., где были представлены взрослые команды известнейших морских высших учебных заведений России и всемирно известного парусника «Крузенштерн».
В настоящее время Морской колледж готовит специалистов среднего звена по следующим специальностям среднего профессионального образования: