Вынужденое колебание. Резонанс

Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называются вынужденными колебаниями. Внешняя периодическая сила, называемая вынуждающей, сообщает колебательной системе дополнительную энергию, которая идет на восполнение энергетических потерь, происходящих из-за трения. Если вынуждающая сила изменяется во времени по закону синуса или коси­нуса, то вынужденные колебания будут гармоническими и незатухающими.

В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из со­стояния равновесия), в случае вынужден­ных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на пре­одоление трения, и потому полная энергия колебательной системы no-прежнему ос­тается неизменной.

Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы. В случае, когда частота вынуждающей силы υ совпадает с собственной частотой колебательной системы υ₀, происходит рез­кое возрастание амплитуды вынужденных колебаний — резонанс. Резонанс возникает из-за того, что при υ = υ₀ внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время сонаправлена со скоростью колеблющегося тела и совершает по­ложительную работу: энергия колеблющегося те­ла увеличивается, и амплитуда его колебаний становится большой. График зависимости амплитуды вынужденных колебаний А_т от частоты вынужда­ющей силы υ представлен на рисунке, этот график называется резонансной кривой:

Явление резонанса играет большую роль в ря­де природных, научных и производственных процессов. Например, необходимо учитывать явление резонанса при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены.

4. Затухающие колебания. Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс вида в природе невозможен. Свободные колебания любого осциллятора рано или поздно затухают и прекращаются. Поэтому на практике обычно имеют дело с затухающими колебаниями. Они характеризуются тем, что амплитуда колебаний A является убывающей функцией. Обычно затухание происходит под действием сил сопротивления среды, наиболее часто выражаемых линейной зависимостью от скорости колебаний или её квадрата.

Волны.

1. Продольные и поперечные волны. Волна - процесс распространения колебаний в среде. Механические волны бывают разных видов. Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты.1.Поперечные волны:Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.На поверхности воды возникают поперечные волны, т.к. колеблется граница сред.В поперечных волнах различают горбы и впадины.Длина поперечной волны – расст. между двумя ближайшими горбами или впадинами.

2.Продольные волны:Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.Длина продольной волны – расст. между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

2. Стоячие волны. Стоячая волна -колебания в распределённых колебательных сис-мах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в рез-те наложения отражённой волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэфф. затухания волны в месте отражения. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе; в природе —волны Шумана. Звук представляет собой движение молекул воздуха вызываемое колеблющимся физич. телом (например, струной гитары, камертоном или мембраной громкоговорителя). Воздушная среда совершенно необходима для распределения звука в пространстве; её возвратно-поступательные движения во время колебаний сопровождаются последовательными волнами сжатия и разрежения воздуха, кот. распространяются в вакууме, в котором, стало быть всегда царит абсолютная тишина. Если нет отражателя или резонатора, звук распространяется главным образом в направлении колебаний физич. тела.
Амплитуда звуковой волны определяет интенсивность звука. Чем больше молекулы воздуха отклоняются от их среднего положения, тем больше амплитуда волны.
От частоты звуковой волны зависит высота слышимого звука, т.е. будет ли данный звук восприниматься как высокий (если число колебаний в секунду велико) или (в противном случае) как низкий.
Эти две характеристики воспринимаемых звуков взаимосвязаны. Фактически звуки всегда кажутся более интенсивными, чем низкие, даже если их волны имеют одинаковую амплитуду.

3. Ультразвук. По своей природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука. Однако ультразвук обладая высокими частотами ( кГц) и следовательно, малыми длинами волн, характеризуется особыми свойствами, что позволяет его выделить в отдельный класс явлений. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны, как и свет могут быть получены в виде строго направленных пучков. Для генерации ультразвука использ. В основном два явления. Обратный пьезоэлектрический эффект- это возникновение деформации в вырезанной определённым образам кварцевой пластинке под действием электрического поля. Магнитострикция- это возникновение деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. Ультразвук широко используется в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глубин.