Примеры автоколебаний Незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; Колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка.
Гармонические колебания и их характеристики.
Примеры автоколебаний Незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; Колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2. Примерами незатухающих колебаний являются колебания в маятниках, электрических схемах, контурах RLC и др. Уравнение незатухающих колебаний Незатухающие колебания являются одним из видов колебаний, при которых отсутствует потеря энергии со временем.
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
Почему они затухают, и возможно ли существование незатухающих колебаний? Колебания представляют собой состояние системы вокруг определенного положения равновесия. Для их начала системе необходим первоначальный импульс. А в последующем система может вести себя по-разному: как сразу вернуться в состояние равновесия, так и совершать определенное количество колебательных движений. Описанные виды колебаний носят название вынужденных и свободных. Первые совершаются под влиянием внешней силы, а вторые — под влиянием внутренних сил. Под затуханием свободных колебаний принято понимать плавное снижение амплитуды колебаний с течением времени.
Главная причина состоит в потере энергии колебательной системой.
При этом потери в системе должны быть минимальны, поскольку только при соблюдении этого условия возвращающая систему в состояние равновесия энергия будет теряться медленно. Свободные колебания — это раскачивающийся маятник, часовой балансир, скачущий мяч, звенящая струна. В зависимости от того, полезны или вредны колебания, для их усиления или ослабления принимают соответствующие меры. Так, в случае с часовым маятником снижают потери, а с деталями и агрегатами механизмов и устройств используют специальные элементы — демпферы и амортизаторы. Причины колебаний в разных системах Собственные незатухающие колебания — это, скорее, теоретическое явление. В разных системах и причины затухания колебания будут разными. К примеру, в случае с механической это наличие трения, а в случае с электромагнитным контуром — потеря тепла в проводниках, которые формируют систему. Когда будут израсходована вся энергия, запасенная колебательной системой, завершатся и колебания.
Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы. Если в системе отсутствуют силы трения, колебания продолжаются бесконечно долго с постоянной амплитудой и называются собственными незатухающими колебаниями. Пружинный маятник - материальная точка массой m, подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы.
Для этого неподалеку от этой катушки нужно разместить еще одну катушку рис. Вся эта длинная фраза, напоминающая «дом, который построил Джек»,— просто пересказ известного вам закона Фарадея для явления электромагнитной индукции.
Понятно, что для него необходим источник энергии для пополнения потерь энергии в контуре и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства — электронную лампу или транзистор. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами — их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод — затвор — управляющего напряжения рис. В полевом транзисторе с управляющим p—n-переходом — а мы дальше будем говорить именно о нем — затвор отделен от канала именно таким переходом, для чего область затвора делается противоположного по отношению к каналу типа проводимости. Например, если канал имеет примесную проводимость типа p, то затвор — типа n, и наоборот.
Зависимость эта почти такая же, как и у электронной лампы триода. Важно отметить, что управляющее напряжение — запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал обычно он составляет несколько наноампер , соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо. Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре.
Гармонические колебания и их характеристики.
Описанные виды колебаний носят название вынужденных и свободных. Первые совершаются под влиянием внешней силы, а вторые — под влиянием внутренних сил. Под затуханием свободных колебаний принято понимать плавное снижение амплитуды колебаний с течением времени. Главная причина состоит в потере энергии колебательной системой.
Условия возникновения свободных колебаний Чтобы возникли свободные колебания, необходимо вывести систему из равновесия, обеспечить при отклонениях действие силы, стремящейся вернуть систему в исходное состояние. При этом потери в системе должны быть минимальны, поскольку только при соблюдении этого условия возвращающая систему в состояние равновесия энергия будет теряться медленно. Свободные колебания — это раскачивающийся маятник, часовой балансир, скачущий мяч, звенящая струна.
В зависимости от того, полезны или вредны колебания, для их усиления или ослабления принимают соответствующие меры.
Какие элементы должна обязательно содержать автоколебательная система? Каковы их функции? Что такое обратная связь?
От чего зависит их частота и амплитуда? Докажите, что при любых начальных условиях в рассмотренной механической модели автоколебательной системы фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри или извне, нигде его не пересекая. Что будет, если переключить поменять местами концы одной из этих катушек? Релаксационные колебания.
Во всех упоминавшихся выше примерах автоколебательных систем обязательным элементом являлся резонатор. Другими словами, в отсутствие обратной связи в этих системах возможны собственные затухающие колебания. При наличии обратной связи в них устанавливаются самоподдерживающиеся почти синусоидальные колебания. Частота таких колебаний задается резонатором.
Но автоколебания могут происходить и в системах, не содержащих резонатора. Колебания при этом, как правило, не являются гармоническими. Типичный пример релаксационных колебаний Типичными примерами таких систем могут служить генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе и гидравлическое устройство, показанное на рис. В сосуд, снабженный сифоном С, с постоянной скоростью натекает вода из крана К.
Пока сифон не заполнен водой, уровень воды в сосуде растет со временем по линейному закону. Но как только уровень достигает высоты сифон срабатывает и уровень воды в сосуде падает до значения после чего сосуд снова начинает заполняться водой из крана. Скорость опорожнения сосуда через сифон можно сделать гораздо больше скорости его наполнения через кран так как скорость воды в сифоне зависит от разности уровней Далее описанный процесс будет повторяться периодически. Зависимости уровня воды А и скорости его изменения от времени показаны в правой части рис.
Видно, что колебания уровня воды и скорости не являются синусоидальными. Соответствующая этим колебаниям фазовая диаграмма приведена на рис. Фазовая диаграмма релаксационных колебаний, показанных на рис.
Так, например, механическая работа, производимая при изменении емкости конденсатора в моменты раздвижения его пластин, приводит к изменению запаса электростатической энергии и, следовательно, общего запаса энергии колебаний в контуре. Заметим, что параметрическое возбуждение колебаний возможно лишь при изменении одного из энергоемких параметров, С или с которыми связана энергия электрического и магнитного поля. Очевидно, что изменение диссипативного параметра не может вызвать раскачки колебаний. В заключение отметим еще раз основные различия вынужденных колебаний и параметрического резонанса. Резонанс при вынужденных колебаниях возникает при со или с целым при возбуждении короткими толчками , но сами колебания существуют при любой частоте внешнего воздействия. В случае параметрического воздействия колебания возникают лишь при выполнении соотношения со Резонанс при вынужденных колебаниях вызывает любая, сколь угодно малая внешняя сила.
Для возникновения параметрического резонанса амплитуда внешнего воздействия должна превышать некоторое пороговое значение. Чем они отличаются друг от друга? Какие элементы должна обязательно содержать автоколебательная система? Каковы их функции? Что такое обратная связь? От чего зависит их частота и амплитуда? Докажите, что при любых начальных условиях в рассмотренной механической модели автоколебательной системы фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри или извне, нигде его не пересекая. Что будет, если переключить поменять местами концы одной из этих катушек? Релаксационные колебания.
Во всех упоминавшихся выше примерах автоколебательных систем обязательным элементом являлся резонатор. Другими словами, в отсутствие обратной связи в этих системах возможны собственные затухающие колебания. При наличии обратной связи в них устанавливаются самоподдерживающиеся почти синусоидальные колебания. Частота таких колебаний задается резонатором. Но автоколебания могут происходить и в системах, не содержащих резонатора. Колебания при этом, как правило, не являются гармоническими. Типичный пример релаксационных колебаний Типичными примерами таких систем могут служить генератор пилообразных колебаний на неоновой лампе и гидравлическое устройство, показанное на рис.
Со временем автоколебания затухают. Рассмотрим, какие механические колебания называются затухающими, какими свойствами обладают. Наведём примеры таких явлений в природе, быту, промышленности. Определение и характеристики затухающих колебаний Затухающими называют колебания, энергия которых с течением времени постепенно снижается. Бесконечно длиться такой процесс не может из-за сопротивления — сил трения и прочих явлений, тормозящих движение, препятствующих ему. Вот почему свободные колебания являются затухающими.
Гармонические колебания и их характеристики.
Якорь притягивается, и боёк, связанный с ним, ударяет по чашечке звонка. При притягивании якоря между ним и винтом 3 образуется зазор, ток прерывается, электромагнит обесточивается, и якорь силой пружины 4 возвращается в исходное положение. Цепь электромагнита при этом снова замыкается, и боёк ещё раз ударяет по чашечке. Так периодически повторяется работа звонка, пока кнопка К нажата. Аналогично можно получить автоколебания со звуковыми частотами, возбудив незатухающие колебания камертона, если между ножками камертона поместить электромагнит 2. По катушке электромагнита проходит ток, намагничивая сердечник, который притягивает ножку камертона, поднимая её вверх. Цепь размыкается, и ножка камертона под действием силы тяжести опускается вниз.
Цепь замыкается и далее всё повторяется. Электромеханические автоколебательные системы, подобные рассмотренным в технике применяются очень широко. Но есть и чисто механические колебательные устройства, например маятниковые часы. Незатухающие колебания маятника 3, показанных на рисунке часов, происходят за счёт потенциальной энергии поднятой гири 2. Колесо с косыми зубьями 1 жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2. К маятнику 3 приделана перекладина 4 анкер , на концах которой укреплены пластинки 5, изогнутые по окружности с центром на оси маятника 6.
Анкер даёт возможность ходовому колесу повернуться только на один зуб за каждые половины периода маятника.
Уравнение колебаний — это решение дифференциального уравнения. Амплитуда зависит от времени. Частота и период зависят от степени затухания колебаний. Основные параметры: 1.
Рассмотрим маятник, когда он проходит положение равновесия: здесь кинетическая максимальная, а потенциальная 0. Потенциальная энергия равна 0, потому что мы выберем именно этот уровень см. Уровень нулевой потенциальной энергии Дальше происходит обратное превращение энергии: кинетическая начинает падать, а потенциальная увеличиваться и так происходит постоянно. Теперь попытаемся вывести закон, по которому меняются потенциальная и кинетическая энергии см. Изменение энергий Потенциальная энергия пружинного маятника имеет вид: , где k — коэффициент жесткости пружины, x — координата. Кинетическая энергия:. Координата меняется по такому закону:. Скорость тоже изменяется по гармоническому закону:. Подставим выражение для координаты и для скорости в формулы для энергий и получим закон, по которому изменяется со временем энергия потенциальная и кинетическая для пружинного маятника:. Для математического маятника формула для кинетической энергии будет идентичной, а для потенциальной, с математической точки зрения, тоже похожей, но перед значением косинуса будет стоять другой коэффициент. Так как квадрат величины всегда неотрицательная величина, то график см. В каждый момент времени сумма кинетической и потенциальной энергии одинакова — выполняется закон сохранения энергии. В реальности энергия, конечно же, не сохраняется. Любая колебательная система тратит часть своей энергии на преодоление силы сопротивления, силы трения. Энергия уменьшается, колебания на самом деле являются затухающими. В тех случаях, которые мы рассматриваем в 9 классе, этим затуханием можно пренебречь, но в реальной жизни это нужно учитывать. А каким же образом мы может заставить колебаться маятник гармонически? Это можно сделать двумя способами. Вывести груз из положения равновесия и отпустить его. В этом случае график движения график x t будет иметь такой вид см. График движения x t Второй вариант: заставить тело совершать гармонические колебания с помощью импульса например, толкнуть его. Вспомните, например, как вы раскачиваете качели: либо толкнуть их, либо вывести их из положения равновесия и отпустить. Естественно, можно вывести их из положения равновесия и сообщить некий импульс. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания Свободные колебания могут совершаться за счет первоначального запаса энергии. Вернемся к предыдущим рассуждениям: в первом примере, который мы приводили, это была первоначальная энергия грузика, мы выводили его из положения равновесия, а потом отпускали. А во втором случае этот первоначальный запас энергии — это кинетическая энергия в случае, когда мы толкали грузик. Согласно закону сохранения энергии в обоих случаях сумма кинетической и потенциальной энергий маятника должна оставаться неизменной с течением времени. То есть, какое бы промежуточное значение маятника мы бы ни рассмотрели, в любой из них эта сумма равна начальной энергии маятника см.
К маятнику 3 приделана перекладина 4 анкер , на концах которой укреплены палетты 5 — пластинки, изогнутые по окружности с центром на оси маятника 6. Анкер не позволяет ходовому колесу свободно вращаться, а дает ему возможность провернуться только на один зуб за каждые полпериода маятника. Но и ходовое колесо действует при этом на маятник, а именно, пока зуб ходового колеса соприкасается с изогнутой поверхностью левой или правой палетты, маятник не получает толчка и только слегка тормозится из-за трения. Но в те моменты, когда зуб ходового колеса «чиркает» по торцу палетты, маятник получает толчок в направлении своего движения. Таким образом, маятник совершает незатухающие колебания, потому что он сам в определенных своих положениях дает возможность ходовому колесу подтолкнуть себя в нужном направлении. Эти толчки и восполняют расход энергии на трение. Период колебаний и в этом случае почти совпадает с периодом собственных колебаний маятника, т. Схема часового механизма Автоколебаниями являются также колебания струны под действием смычка в отличие от свободных колебаний струны у рояля, арфы, гитары и других несмычковых струнных инструментов, возбуждаемых однократным толчком или рывком ; автоколебаниями являются звучание духовых музыкальных инструментов, движение поршня паровой машины и многие другие периодические процессы. Характерная черта автоколебаний состоит в том, что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальным отклонением или толчком, как у свободных колебаний. Если, например, маятник часов отклонить слишком сильно, то потери на трение будут больше, чем поступление энергии от заводного механизма, и амплитуда будет уменьшаться. Наоборот, если уменьшить амплитуду, то избыток энергии, сообщаемой маятнику ходовым колесом, заставит амплитуду возрасти. Автоматически установится именно такая амплитуда, при которой расход и поступление энергии сбалансированы. Возможно вам будет интересно:.
Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
Колебания, происходящие под действием процессов в самом колебательном контуре без внешних воздействий и потерь энергии на теплоту и электромагнитное излучение, называются собственными электромагнитными колебаниями. Частным случаем электромагнитных колебаний являются незатухающие колебания. Незатухающие колебания Колебания, амплитуда которых не убывает со временем, а остается постоянной. Возбуждение незатухающих электрических колебаний Для возбуждения и поддержания незатухающих электрических колебаний к контуру следует все время подводить энергию от внешнего источника, которая компенсировала бы потери энергии на теплоту и электромагнитное излучение.
Для этого можно применить триод. На рис. В анодное круг триода включен последовательно колебательному контуру, батарее Ба, в цепи сетки — катушка Lc, связанная индуктивно с катушкой L колебательного контура.
Для этого необходимо установить зависимость кинетической энергии тела, колеблющегося на пружине, от его координаты. Проверить истинность утверждения 3. Для этого необходимо записать формулу, отображающую зависимость между силой, действующей на колеблющееся тело, и координатой этого тела. Затем найти модули силы для указанных значений времени и сравнить их. Проверить истинность утверждения 4. Для этого необходимо дать определение периоду колебаний, установить период колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 4. Проверить истинность утверждения 5.
Для этого необходимо дать определение частоте колебаний, установить частоту колебаний тела и сравнить его со значением, приведенным в утверждении 5. Записать ответ в виде последовательности цифр, не разделенных знаками препинания и пробелами. Решение: Проверяем истинность утверждения 1, согласно которому в момент времени 1,50 с ускорение груза максимально. Ускорение груза, колеблющегося на горизонтальной пружине, можно выразить из 2 закона Ньютона учитываем, что на тело действует сила упругости : Отсюда ускорение равно: Отношение жесткости пружины к массе груза постоянно, так как эти величины не изменяются. Следовательно, ускорение пропорционально координате колеблющегося тела. И если в момент времени 1,50 с координата тела отклонение от положения равновесия максимальна, то ускорение тоже максимально. Однако в соответствии с данными таблицы, в этот момент времени координата тела равна 0,0 см.
Следовательно, утверждение 1 неверно. Проверяем истинность утверждения 2, согласно которому в момент времени 0,50 с кинетическая энергия груза максимальна. Полная механическая энергия тела равна сумме его потенциальной и кинетической энергий: Когда кинетическая энергия груза максимальна, потенциальная энергия равна 0.
На рисунке 1. Период колебаний физического маятника описывается формулой где J - момент инерции тела относительно оси, m - масса, h - расстояние между центром тяжести точка С и осью подвеса точка О. Момент инерции - это величина, зависящая от массы тела, его размеров и положения относительно оси вращения. Вычисляется момент инерции по специальным формулам. Гармонические колебания и их характеристики. Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени, то есть колебания - периодические изменения какой-либо величины. В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания.
В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные или собственные колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.
В идеальном случае, без учета потери энергии на сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является свободное колебание механической системы с одной степенью свободы. Такая система может представлять собой маятник, пружинный маятник или массу на наклонной плоскости.
Когда система отклоняется от равновесия и отпускается, она начинает колебаться вокруг своего равновесного положения. В идеальных условиях, без учета потери энергии на трении и сопротивлении, колебания будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания. Электромагнитное поле может колебаться вокруг своего равновесного состояния, как, например, в случае электромагнитных волн.
Электромагнитные волны могут быть представлены, например, световыми волнами, радиоволнами или микроволнами.
Математическое описание
- Ликбез: почему периодические колебания затухают
- Характеристики затухающих колебаний
- Затухающие и незатухающие колебания: разница и сравнение
- Незатухающие колебания. Автоколебания
- Характеристика затухающих колебаний, какие колебания называют затухающими
3.1. Механические затухающие колебания
- 3. Затухающие колебания. Колебания. Физика. Курс лекций
- Урок 9: Гармонические, затухающие, вынужденные колебания. Резонанс (Колебошин С.В.)
- Механические колебания • СПАДИЛО
- Механика - Затухающие и незатухающие колебания. Неинерциальные системы отсчета - YouTube
- Свободные незатухающие колебания
Основные сведения о затухающих колебаниях в физике
Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Главная» Новости» Незатухающие колебания это как примеры.
Свободные незатухающие колебания
Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания встречаются в различных физических системах и процессах. Примерами незатухающих колебаний могут служить колебания маятника или звуковой волны, распространяющейся в открытом пространстве. Колебания бывают незатухающими и затухающими.
Характеристика затухающих колебаний, какие колебания называют затухающими
Автор: Роман Адамчук Преподаватель физики Если колебания совершаются под воздействием внешней силы, они называются вынужденными. Работа внешней силы, которая обеспечивает колебательную систему энергией, при этом является положительной. Благодаря ей колебания не затухают и могут противодействовать силам трения. Внешняя сила не обязательно должна быть постоянной.
Ритмические сокращения сердечной мышцы обеспечивают кровообращение.
Вдохи и выдохи создают колебательные движения воздуха в легких. Звуковые колебания. Звук представляет собой упругие волны в воздухе, возникающие при колебаниях источника. Музыкальные инструменты.
Струнные, духовые, ударные инструменты создают музыкальные звуки за счет колебаний. Звуки речи образуются колебаниями голосовых связок и резонаторов речевого аппарата. Бытовые колебательные процессы. Многие привычные вещи в быту работают за счет колебаний.
Маятник часов совершает строго периодические колебания. Мобильный телефон. Антенна телефона излучает и принимает радиоволны благодаря электромагнитным колебаниям. Колебания в технических устройствах.
Незатухающие колебания лежат в основе работы многих технических систем. Генераторы колебаний. Генераторы создают электрические колебания с помощью резонаторов и усилителей. Кварцевые генераторы.
Кварцевые резонаторы обеспечивают высокую стабильность частоты благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Генераторы на диоде Ганна. Диод Ганна использует электронно-дырочные переходы в полупроводниках для создания СВЧ-колебаний. Усилители наращивают амплитуду входного периодического сигнала за счет внешнего источника энергии.
Усилители мощности.
Полупроводниковые генераторы электрических колебаний Кроме генераторов на электронных лампах широко используют полупроводниковые генераторы электрических колебаний - на транзисторах. По структуре они аналогичны рис. Мы привели схему генераторов электрических колебаний с трансформаторной обратной связью колебательного контура с лампой или транзистором. Существуют также генераторы с индуктивной и емкостной обратными связями. Система, которая сама регулирует ввод энергии в контур, называется автоколебательной, а возбужденные в ней колебания — автоколебаниями. Возбуждение незатухающих электрических колебаний возможно с помощью других методов, но все они подобны описанному.
Вот почему свободные колебания являются затухающими. Часть внутренней энергии системы, которая не восполняется, уходит на преодоление сопротивления, не компенсируется, и вскоре её энергетический запас падает до ноля. Затраты имеют различный характер, зависящий от условий: преодоление сопротивления воздуха жидкости качающимся на пружине грузом, трение шариков в подшипнике о внутреннее и внешнее кольца. Кроме того, энергетический запас частично расходуется на передачу движения окружающей среде — груз или колеблющийся на нитке шар заставляют молекулы окружающего воздуха перемещаться. Деформация вибрирующей пластины, пружины, растягивание нитки отбирает у контура часть внутренней энергии из-за трения в них самих. Свободные незатухающие колебания или собственные характерны для идеальной системы, где отсутствует трение.