ฟิสิกส์มีการสั่นหลายประเภท โดยมีลักษณะเฉพาะตามพารามิเตอร์บางอย่าง พิจารณาความแตกต่างหลัก การจัดประเภทตามปัจจัยต่างๆ
คำจำกัดความพื้นฐาน
ภายใต้ความผันผวนหมายถึงกระบวนการที่ลักษณะสำคัญของการเคลื่อนไหวมีค่าเท่ากันในช่วงเวลาปกติ
การแกว่งตัวเป็นระยะคือค่าที่ค่าของปริมาณพื้นฐานซ้ำในช่วงเวลาปกติ (ช่วงการสั่น)
ความหลากหลายของกระบวนการแกว่ง
ลองพิจารณาประเภทการแกว่งหลักที่มีอยู่ในฟิสิกส์พื้นฐานกัน
การสั่นแบบอิสระคือสิ่งที่เกิดขึ้นในระบบที่ไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลของตัวแปรภายนอกหลังจากการช็อตครั้งแรก
ตัวอย่างการแกว่งอิสระคือลูกตุ้มคณิตศาสตร์
การสั่นสะเทือนทางกลประเภทนี้ที่เกิดขึ้นในระบบภายใต้การกระทำของแรงแปรผันจากภายนอก
คุณสมบัติของการจัดประเภท
โดยลักษณะทางกายภาพ ประเภทของการเคลื่อนที่แบบสั่นดังต่อไปนี้:
- เครื่องกล;
- ความร้อน;
- แม่เหล็กไฟฟ้า;
- ผสม
ตามตัวเลือกของการโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อม
ประเภทของความผันผวนในการโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมแบ่งออกเป็นหลายกลุ่ม
การสั่นแบบบังคับปรากฏในระบบภายใต้การกระทำของการกระทำเป็นระยะภายนอก ตัวอย่างของการแกว่งแบบนี้ เราสามารถพิจารณาการเคลื่อนไหวของมือ ใบไม้บนต้นไม้
สำหรับการสั่นของฮาร์โมนิกแบบบังคับ อาจมีการสั่นพ้อง ซึ่งมีค่าเท่ากันของความถี่ของอิทธิพลภายนอกและออสซิลเลเตอร์ โดยมีแอมพลิจูดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
การสั่นของตัวเองในระบบภายใต้อิทธิพลของแรงภายในหลังจากนำออกจากสมดุล การสั่นสะเทือนแบบอิสระที่ง่ายที่สุดคือการเคลื่อนที่ของสิ่งของที่แขวนอยู่บนเกลียวหรือติดกับสปริง
การสั่นในตัวเองเป็นประเภทที่ระบบมีพลังงานศักย์อยู่จำนวนหนึ่งที่ใช้สร้างการสั่น ลักษณะเด่นของมันคือความจริงที่ว่าแอมพลิจูดนั้นถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของระบบเอง ไม่ใช่ตามเงื่อนไขเริ่มต้น
สำหรับความผันผวนแบบสุ่ม โหลดภายนอกมีค่าสุ่ม
พารามิเตอร์พื้นฐานของการสั่น
การสั่นทุกโหมดมีลักษณะเฉพาะที่ควรกล่าวถึงแยกกัน
แอมพลิจูดคือค่าเบี่ยงเบนสูงสุดจากตำแหน่งสมดุล ส่วนเบี่ยงเบนของค่าที่ผันผวน มีหน่วยเป็นเมตร
ช่วงเวลาคือช่วงเวลาหนึ่งฟูลสวิง ผ่านซึ่งซ้ำลักษณะของระบบ คำนวณเป็นวินาที
ความถี่ถูกกำหนดโดยจำนวนการแกว่งต่อหน่วยเวลา เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะเวลาการแกว่ง
เฟสการสั่นแสดงลักษณะของระบบ
ลักษณะของการสั่นของฮาร์โมนิก
การแกว่งแบบนี้เกิดขึ้นตามกฎของโคไซน์หรือไซน์ ฟูริเยร์สามารถพิสูจน์ได้ว่าการแกว่งตามระยะใด ๆ สามารถแสดงเป็นผลรวมของการเปลี่ยนแปลงฮาร์มอนิกโดยการขยายฟังก์ชันบางอย่างเป็นอนุกรมฟูริเยร์
เป็นตัวอย่าง ให้พิจารณาลูกตุ้มที่มีระยะเวลาที่แน่นอนและความถี่ของวงจร
ความผันผวนประเภทนี้มีลักษณะอย่างไร ฟิสิกส์ถือว่าลูกตุ้มทางคณิตศาสตร์เป็นระบบในอุดมคติ ซึ่งประกอบด้วยจุดวัสดุซึ่งถูกแขวนไว้บนเส้นด้ายที่ไม่มีน้ำหนักซึ่งแกว่งภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง
การสั่นสะเทือนประเภทนี้มีพลังงานจำนวนหนึ่ง ซึ่งเป็นเรื่องปกติในธรรมชาติและเทคโนโลยี
ด้วยการเคลื่อนที่แบบสั่นเป็นเวลานาน พิกัดของจุดศูนย์กลางการเปลี่ยนแปลงมวล และด้วยกระแสสลับ ค่าของกระแสและแรงดันในวงจรจะเปลี่ยนไป
การสั่นของฮาร์มอนิกมีหลายประเภทตามลักษณะทางกายภาพ: แม่เหล็กไฟฟ้า กลไก ฯลฯ
การสั่นของยานพาหนะที่เคลื่อนตัวบนถนนที่ขรุขระเป็นแรงสั่นสะเทือน
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการบังคับกับอิสระความผันผวน
การสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทนี้มีลักษณะทางกายภาพต่างกัน การมีความต้านทานปานกลางและแรงเสียดทานทำให้เกิดการสั่นสะเทือนอิสระ ในกรณีของการบังคับสั่น การสูญเสียพลังงานจะได้รับการชดเชยด้วยอุปทานเพิ่มเติมจากแหล่งภายนอก
ระยะเวลาของลูกตุ้มสปริงสัมพันธ์กับมวลของร่างกายและความฝืดของสปริง ในกรณีของลูกตุ้มคณิตศาสตร์ ขึ้นอยู่กับความยาวของด้าย
ด้วยระยะเวลาที่ทราบ คุณสามารถคำนวณความถี่ธรรมชาติของระบบออสซิลเลเตอร์ได้
ในเทคโนโลยีและธรรมชาติ มีความแปรปรวนด้วยค่าความถี่ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ลูกตุ้มที่แกว่งในมหาวิหารเซนต์ไอแซคในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กมีความถี่ 0.05 เฮิรตซ์ ในขณะที่อะตอมจะมีขนาดหลายล้านเมกะเฮิรตซ์
หลังจากช่วงเวลาหนึ่ง จะสังเกตเห็นการหน่วงของการสั่นอิสระ นั่นคือเหตุผลที่ใช้การสั่นแบบบังคับในทางปฏิบัติ พวกเขาต้องการในเครื่องสั่นสะเทือนที่หลากหลาย ค้อนแบบสั่นสะเทือนคือเครื่องสั่นสะเทือนแบบสั่นสะเทือนที่ออกแบบมาสำหรับการขับท่อ เสาเข็ม และโครงสร้างโลหะอื่นๆ ลงสู่พื้น
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ลักษณะของโหมดการสั่นเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์พารามิเตอร์ทางกายภาพหลัก: ประจุ แรงดันไฟ ความแรงของกระแส เป็นระบบพื้นฐานที่ใช้ในการสังเกตการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ เกิดจากการต่อคอยล์และตัวเก็บประจุเป็นอนุกรม
เมื่อปิดวงจรฟรีแม่เหล็กไฟฟ้าความผันผวนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในประจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุและกระแสในขดลวด
พวกมันว่างเพราะว่าเมื่อทำการแสดงแล้วจะไม่มีอิทธิพลจากภายนอก แต่จะใช้เฉพาะพลังงานที่เก็บไว้ในวงจรเท่านั้น
ถ้าเราพิจารณาความต้านทานของคอยล์เป็นศูนย์ และหาคาบของการแกว่งเป็น T เราจะพิจารณาการแกว่งที่สมบูรณ์หนึ่งครั้งของระบบได้
หากไม่มีอิทธิพลจากภายนอก หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง จะสังเกตเห็นการหน่วงของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือการค่อยๆ คายประจุของตัวเก็บประจุ เช่นเดียวกับความต้านทานที่ขดลวดมีอยู่จริง
นั่นคือสาเหตุที่ทำให้เกิดการสั่นของแดมเปอร์ในวงจรจริง การลดประจุของตัวเก็บประจุจะทำให้ค่าพลังงานลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับค่าเดิม ค่อยๆ ปล่อยออกมาเป็นความร้อนบนสายเชื่อมต่อและขดลวด ตัวเก็บประจุจะคายประจุจนหมด และการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเสร็จสิ้น
ความสำคัญของความผันผวนของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
การเคลื่อนไหวใด ๆ ที่มีระดับความซ้ำซากจำเจเป็นการแกว่ง ตัวอย่างเช่น ลูกตุ้มคณิตศาสตร์มีลักษณะการเบี่ยงเบนอย่างเป็นระบบในทั้งสองทิศทางจากตำแหน่งแนวตั้งดั้งเดิม
สำหรับลูกตุ้มสปริง การแกว่งเต็มที่หนึ่งครั้งสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ขึ้นและลงจากตำแหน่งเริ่มต้น
ในวงจรไฟฟ้าที่มีความจุและความเหนี่ยวนำจะมีประจุซ้ำแผ่นตัวเก็บประจุ อะไรคือสาเหตุของการสั่นไหว? ลูกตุ้มทำงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงทำให้มันกลับสู่ตำแหน่งเดิม ในกรณีของรุ่นสปริง แรงยืดหยุ่นของสปริงจะทำหน้าที่คล้ายคลึงกัน เมื่อผ่านตำแหน่งสมดุล โหลดมีความเร็วที่แน่นอน ดังนั้น โดยความเฉื่อย มันเคลื่อนผ่านสถานะเฉลี่ย
การสั่นของไฟฟ้าสามารถอธิบายได้ด้วยความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุที่มีประจุ แม้ว่าจะคายประจุจนหมด กระแสไฟก็ไม่หายไป แต่จะถูกชาร์จใหม่
เทคโนโลยีสมัยใหม่ใช้ความผันผวนที่แตกต่างกันอย่างมากในธรรมชาติ ระดับความซ้ำซ้อน ธรรมชาติ และ "กลไก" ของรูปลักษณ์
เครื่องสั่นทำจากเครื่องสาย คลื่นทะเล ลูกตุ้ม ความผันผวนทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะถูกนำมาพิจารณาเมื่อทำปฏิกิริยาต่างๆ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ เช่น โทรศัพท์ อุปกรณ์การแพทย์อัลตราโซนิก
ความแปรปรวนของความสว่างของเซเฟอิดส์เป็นที่สนใจเป็นพิเศษในด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และนักวิทยาศาสตร์จากประเทศต่างๆ ก็กำลังศึกษาเรื่องนี้
สรุป
การสั่นทุกประเภทมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกระบวนการทางเทคนิคและปรากฏการณ์ทางกายภาพจำนวนมาก ความสำคัญในทางปฏิบัติของพวกเขามีความสำคัญอย่างยิ่งในการก่อสร้างเครื่องบิน การต่อเรือ การก่อสร้างอาคารพักอาศัย วิศวกรรมไฟฟ้า วิทยุอิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ และวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ตัวอย่างของกระบวนการออสซิลเลเตอร์ทั่วไปในสรีรวิทยาสนับสนุนการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อหัวใจ การสั่นสะเทือนทางกลพบได้ในเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์ อุตุนิยมวิทยา และวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอื่นๆ อีกมากมาย
การศึกษาครั้งแรกของลูกตุ้มคณิตศาสตร์ได้ดำเนินการในศตวรรษที่สิบเจ็ด และเมื่อสิ้นสุดศตวรรษที่สิบเก้า นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถกำหนดธรรมชาติของการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ อเล็กซานเดอร์ โปปอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ซึ่งถือเป็น "บิดา" ของการสื่อสารทางวิทยุ ได้ทำการทดลองอย่างแม่นยำบนพื้นฐานของทฤษฎีการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ผลการวิจัยโดยทอมสัน, ฮอยเกนส์ และเรย์ลีห์ เขาพยายามหาแอปพลิเคชั่นที่ใช้งานได้จริงสำหรับการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุในระยะไกล
นักวิชาการ P. N. Lebedev ได้ทำการทดลองที่เกี่ยวข้องกับการผลิตคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงโดยใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับเป็นเวลาหลายปี ต้องขอบคุณการทดลองมากมายที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนประเภทต่างๆ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถค้นหาพื้นที่เพื่อการใช้งานที่เหมาะสมที่สุดในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่