ในชีวิตประจำวัน คนๆ นั้นมักพบกับอาการของการสั่น นี่คือการแกว่งของลูกตุ้มในนาฬิกา การสั่นของสปริงรถยนต์และทั้งรถ แม้แต่แผ่นดินไหวก็ไม่มีอะไรนอกจากการสั่นสะเทือนของเปลือกโลก อาคารสูงยังแกว่งไกวจากลมกระโชกแรง ลองคิดดูว่าฟิสิกส์อธิบายปรากฏการณ์นี้อย่างไร
ลูกตุ้มเป็นระบบสั่น
ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของการเคลื่อนที่แบบสั่นคือลูกตุ้มนาฬิกาแขวน ทางเดินของลูกตุ้มจากจุดสูงสุดทางด้านซ้ายไปยังจุดสูงสุดทางด้านขวาเรียกว่าเต็มวงสวิง คาบของการแกว่งที่สมบูรณ์นั้นเรียกว่าปริมณฑล ความถี่การสั่นคือจำนวนการสั่นต่อวินาที
ในการศึกษาการแกว่งตัว จะใช้ลูกตุ้มเกลียวแบบธรรมดาซึ่งทำโดยการห้อยลูกบอลโลหะเล็กๆ ไว้บนด้าย หากเราจินตนาการว่าลูกเป็นจุดวัสดุและด้ายไม่มีมวลที่สัมบูรณ์ความยืดหยุ่นและไม่มีแรงเสียดทาน คุณจะได้ลูกตุ้มทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎี
คาบการแกว่งของลูกตุ้มที่ "เหมาะ" สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:
T=2π √ l / g, โดยที่ l คือความยาวของลูกตุ้ม g คือความเร่งการตกอย่างอิสระ
สูตรแสดงว่าคาบการแกว่งของลูกตุ้มไม่ขึ้นกับมวล และไม่คำนึงถึงมุมเบี่ยงเบนจากตำแหน่งสมดุล
การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน
กลไกของการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มคืออะไร ทำซ้ำในช่วงเวลาหนึ่งถึงอนันต์ หากไม่มีแรงเสียดทานและแรงต้านทาน เพื่อเอาชนะซึ่งต้องใช้การทำงานบางอย่าง
ลูกตุ้มเริ่มสั่นเนื่องจากพลังงานที่ส่งไป ในขณะที่ลูกตุ้มถูกนำออกจากตำแหน่งแนวตั้ง เราให้พลังงานศักย์แก่มันจำนวนหนึ่ง เมื่อลูกตุ้มเคลื่อนที่จากจุดสูงสุดไปยังตำแหน่งเริ่มต้น พลังงานศักย์จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ ในกรณีนี้ ความเร็วของลูกตุ้มจะมากที่สุด เนื่องจากแรงที่ให้ความเร่งลดลง เนื่องจากความเร็วของลูกตุ้มอยู่ที่ตำแหน่งเริ่มต้นนั้นสูงสุด จึงไม่หยุด แต่โดยความเฉื่อยจะเคลื่อนที่ต่อไปตามส่วนโค้งของวงกลมให้มีความสูงเท่ากันทุกประการกับที่มันเคลื่อนลงมา นี่คือวิธีการแปลงพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่แบบสั่นจากศักยภาพเป็นจลนศาสตร์
ความสูงของลูกตุ้มเท่ากับความสูงของลูกตุ้ม กาลิเลโอมาถึงข้อสรุปนี้ขณะทำการทดลองกับลูกตุ้ม ซึ่งต่อมาตั้งชื่อตามเขา
การแกว่งของลูกตุ้มเป็นตัวอย่างที่เถียงไม่ได้ของกฎการอนุรักษ์พลังงาน และเรียกว่าการสั่นแบบฮาร์โมนิก
คลื่นไซน์และเฟส
การสั่นแบบฮาร์โมนิกคืออะไร. หากต้องการดูหลักการของการเคลื่อนไหวดังกล่าว คุณสามารถทำการทดลองต่อไปนี้ เราแขวนกรวยด้วยทรายบนคานประตู ข้างใต้นั้นเราใส่กระดาษแผ่นหนึ่งซึ่งสามารถเลื่อนในแนวตั้งฉากกับความผันผวนของกรวยได้ เมื่อตั้งค่าช่องทางให้เคลื่อนไหว เราก็เปลี่ยนกระดาษ
ผลที่ได้คือเส้นหยักที่เขียนด้วยทราย - ไซนัส การแกว่งเหล่านี้ซึ่งเกิดขึ้นตามกฎของไซน์เรียกว่าไซน์หรือฮาร์มอนิก ด้วยความผันผวนดังกล่าว ปริมาณใดๆ ที่แสดงลักษณะการเคลื่อนที่จะเปลี่ยนไปตามกฎของไซน์หรือโคไซน์
เมื่อตรวจสอบไซนัสอยด์ที่เกิดขึ้นบนกระดาษแข็งแล้ว จะสังเกตได้ว่าทรายเป็นชั้นของทรายในส่วนต่างๆ ที่มีความหนาต่างกัน: ที่ด้านบนหรือรางของไซนูซอยด์ มีกองซ้อนกันอย่างหนาแน่นที่สุด นี่แสดงให้เห็นว่าที่จุดเหล่านี้ความเร็วของลูกตุ้มนั้นเล็กที่สุดหรือค่อนข้างเป็นศูนย์ ณ จุดที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่กลับด้าน
แนวคิดของเฟสมีบทบาทสำคัญในการศึกษาการแกว่ง แปลเป็นภาษารัสเซียคำนี้หมายถึง "การแสดงออก" ในวิชาฟิสิกส์ เฟสเป็นขั้นตอนเฉพาะของกระบวนการเป็นระยะ กล่าวคือ ตำแหน่งบนไซนูซอยด์ที่ลูกตุ้มตั้งอยู่ในขณะนี้
ลังเลใจ
ถ้าระบบสั่นแล้วหยุดอิทธิพลของแรงและพลังงานใด ๆ จากนั้นการสั่นของระบบดังกล่าวจะเรียกว่าอิสระ การแกว่งของลูกตุ้มซึ่งปล่อยไว้กับตัวเองจะค่อยๆ เริ่มจาง แอมพลิจูดจะลดลง การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มไม่เพียงแต่จะแปรผัน (เร็วขึ้นที่ด้านล่างและช้าลงที่ด้านบน) แต่ยังไม่สม่ำเสมอด้วย
ในการสั่นแบบฮาร์โมนิก แรงที่ทำให้ความเร่งของลูกตุ้มอ่อนลงเมื่อปริมาณเบี่ยงเบนจากจุดสมดุลลดลง มีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างแรงและระยะโก่งตัว ดังนั้นการสั่นสะเทือนดังกล่าวจึงเรียกว่าฮาร์มอนิกซึ่งมุมเบี่ยงเบนจากจุดสมดุลไม่เกินสิบองศา
บังคับการเคลื่อนไหวและเสียงสะท้อน
สำหรับการใช้งานจริงในงานวิศวกรรม การสั่นสะเทือนไม่ได้รับอนุญาตให้สลายตัว โดยส่งแรงภายนอกไปยังระบบสั่น หากการสั่นเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลภายนอก เรียกว่า บังคับ การบังคับแกว่งเกิดขึ้นกับความถี่ที่อิทธิพลภายนอกกำหนดไว้ ความถี่ของแรงภายนอกที่กระทำอาจหรือไม่ตรงกับความถี่ของการแกว่งตามธรรมชาติของลูกตุ้ม เมื่อประจวบกัน แอมพลิจูดของการแกว่งจะเพิ่มขึ้น ตัวอย่างของการเพิ่มขึ้นดังกล่าวคือ วงสวิงที่พุ่งสูงขึ้น หากคุณให้อัตราเร่งแก่พวกเขา ตีจังหวะการเคลื่อนไหวของพวกเขาเอง
ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์นี้เรียกว่าการสั่นพ้องและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานจริง ตัวอย่างเช่น เมื่อทำการจูนเครื่องรับวิทยุให้เป็นคลื่นที่ต้องการ คลื่นนั้นจะถูกทำให้สะท้อนกับสถานีวิทยุที่เกี่ยวข้องกัน ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ก็ส่งผลเสียเช่นกันนำไปสู่การทำลายอาคารและสะพาน
ระบบพอเพียง
นอกจากแรงสั่นสะเทือนแบบบังคับและอิสระแล้ว ยังมีการสั่นในตัวเองด้วย เกิดขึ้นกับความถี่ของระบบสั่นเมื่อสัมผัสกับค่าคงที่แทนที่จะเป็นแรงแปรผัน ตัวอย่างของการสั่นในตัวเองคือนาฬิกา ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มซึ่งมีการจัดหาและบำรุงรักษาโดยการคลายสปริงหรือลดภาระลง เมื่อเล่นไวโอลิน ความสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของสายจะตรงกับแรงที่เกิดจากอิทธิพลของคันธนู และเสียงของโทนเสียงบางอย่างก็ปรากฏขึ้น
ระบบสั่นมีความหลากหลาย และการศึกษากระบวนการที่เกิดขึ้นในการทดลองภาคปฏิบัตินั้นน่าสนใจและให้ข้อมูล การประยุกต์ใช้การเคลื่อนไหวแบบแกว่งในทางปฏิบัติในชีวิตประจำวัน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีหลากหลายและขาดไม่ได้: ตั้งแต่ชิงช้าไปจนถึงการผลิตเครื่องยนต์จรวด
