Биологические незатухающие колебания Незатухающие колебания встречаются не только в физических системах, но и в биологических организмах. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Основным примером незатухающих колебаний являются механические колебания в форме маятников. Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием.
Примеры затухающих колебаний
- Свободные незатухающие механические колебания.
- Причины колебаний в разных системах
- Механика - Затухающие и незатухающие колебания. Неинерциальные системы отсчета - YouTube
- Основные выводы
Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
| Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания | Самым простым видом колебаний являются свободные незатухающие колебания. |
| Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры | Примерами незатухающих колебаний являются осцилляции маятника, электромагнитные колебания в контуре, а также световые волны, распространяющиеся в оптических волокнах. |
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Смысл, который вкладывался в понятие периода для незатухающих колебаний, не подходит для затухающих колебаний, так как колебательная система никогда не возвращается в исходное состояние из-за потерь колебательной энергии. Примерами систем, демонстрирующих незатухающие колебания, являются маятники, электрические контуры с индуктивностью и емкостью, а также атомы в молекулярных соединениях. Другим примером незатухающих колебаний являются электромагнитные колебания в контуре с постоянными параметрами.
Свободные незатухающие колебания: понятие, описание, примеры
| Приведи пример вариантов незатухающих колебаний | Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. |
| Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания | Распространенным примером незатухающих колебаний являются волны переменного тока или напряжения, качающийся маятник в вакууме и т.д. |
Приведи пример вариантов незатухающих колебаний
С каждым циклом их амплитуда падает вследствие действия сторонних сил, например, трения. 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.
Определение 1 Установившиеся вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней силы. Частоту свободных колебаний определяют параметры системы. Однако из-за сил трения свободные колебания в определенный момент затухают, поэтому по прошествии времени в системе сохраняются лишь стационарные колебания с той частотой, которая соответствует внешней вынуждающей силе. Пример 1 Разберем пример.
Определение 1 Установившиеся вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней силы. Частоту свободных колебаний определяют параметры системы. Однако из-за сил трения свободные колебания в определенный момент затухают, поэтому по прошествии времени в системе сохраняются лишь стационарные колебания с той частотой, которая соответствует внешней вынуждающей силе. Пример 1 Разберем пример.
Устойчивость автоколебаний. Режим установившихся автоколебаний характеризуется устойчивостью. При любых отклонениях амплитуды как под действием случайных, так и преднамеренных причин реакция системы такова, что амплитуда возвращается к своему установившемуся значению. Подтолкнем маятник настенных часов, чтобы размах его колебаний стал больше. Вы увидите, что буквально через несколько колебаний амплитуда станет такой же, как и прежде. Устойчивость режима установившихся автоколебаний легко понять из энергетических соображений, учитывая, что должен обеспечиваться баланс поступающей от пружины и рассеиваемой энергии за период колебаний. Если амплитуда колебаний вдруг станет больше, то возрастут и потери энергии за период, превысив поступление энергии. И наоборот, уменьшение амплитуды от установившегося значения приводит к превышению поступающей энергии над потерями на трение. Амплитуда начнет увеличиваться. Предельный цикл. Устойчивость установившихся автоколебаний можно понять, рассматривая процесс выхода системы на предельный цикл, которому соответствует замкнутая фазовая траектория на рис. Если, например, отклонить осциллятор автоколебательной системы на небольшой угол и отпустить без начального толчка, выход фазовой траектории на предельный цикл будет происходить так, как показано на рис. Фазовая траектория постепенно приближается к предельному циклу изнутри. Выход фазовой траектории на предельный цикл, соответствующий установившимся автоколебаниям Напротив, если начальное отклонение превышает значение установившейся амплитуды, фазовая траектория приближается к предельному циклу извне рис. Электромагнитные автоколебания. Действие генератора незатухающих электромагнитных колебаний аналогично рассмотренному механическому примеру автоколебательной системы. Схема такого генератора на транзисторе с колебательным контуром в цепи коллектора показана на рис. Роль заводной пружины, пополняющей энергию колебаний, играет постоянный источник энергии — батарея. Колебательный контур управляет этим источником через цепь обратной связи, содержащую индуктивно связанную с ним катушку включенную в цепь эмиттера. Транзистор здесь играет роль вентиля, открывающего доступ энергии батареи в колебательный контур. Управление этим вентилем осуществляется подаваемым с катушки напряжением к переходу эмиттер—база. Благодаря этому отпирание транзистора происходит в нужные моменты времени, чтобы импульс тока от батареи пополнял энергию колебаний, компенсируя потери на сопротивлении катушки и проводов.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
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. Иллюстрация закона сохранения энергии Однако на самом деле мы понимаем, что маятников, которые могли бы совершать колебания довольно долго, не существует — это какая-то абстракция. Учтём, что система маятников незамкнутая, то есть в системе присутствует сила трения. В реальных условиях мы можем взять тяжелый груз, подвесить его на очень длинную и легкую нить или проволоку, закрепить один конец на опоре и получить систему, близкую по своим свойствам к математическому маятнику. Однако нельзя сказать, что механическая энергия такого маятника будет сохраняться — мы прекрасно знаем, что рано или поздно он остановится.
В чем же наша недоработка? Ответ прост: в данной системе присутствуют различные виды трения, действие которых приводит к потере на каждом периоде колебаний маятника какой-то части его энергии см. В системе присутствуют различные виды трения Силы трения могут быть внутренними например, в подвесе маятника , а могут быть и внешними например, со стороны окружающего воздуха или другой среды, в которой может находиться маятник. Естественно, что силы трения зависят от свойств среды: в воде колебания будут затухать быстрее, чем в воздухе см. Затухание в воздухе и воде В итоге амплитуда колебаний будет постепенно уменьшаться, и в конце маятник остановится. На рисунке представлены смещения груза маятника от времени: видно, что амплитуда постепенно уменьшается, стремясь к нулю, такие колебания называются затухающими см.
Затухающие колебания — это колебания, которые происходят в незамкнутой системе, то есть колебания, которые происходят в том числе под действием силы трения. Амплитуда таких колебаний постепенно затухает. Большинство колебаний в мире — затухающие, так как в окружающем нас мире, постоянно существуют силы трения. Итак, мы выяснили: в реальности колебания маятников механических систем затухающие, то есть их амплитуда постепенно уменьшается, стремясь к нулю. Что же нам сделать, чтоб колебания не были такими, чтоб амплитуда постоянно поддерживала свое значение? Для этого нам необходимо разомкнуть систему и подкачивать энергию извне.
Таким образом, мы добьемся незатухающих колебаний. Как же разомкнуть систему? Вспомним простой пример из жизни: катание на качелях. Для того чтобы качели колебались без остановки, человек периодически толкает их, а если перевести это на язык физики, то человек действует на качели с силой, величина которой зависит от времени периодическим образом.
Пусть, для определенности, вся неидеальность контура связана с тем, что у катушки, точнее — у провода, из которого она намотана, есть активное омическое сопротивление r рис. На самом деле, конечно, потери энергии есть и у конденсатора хотя на не очень высоких частотах сделать очень хороший конденсатор можно без особого труда. Да и потребитель отнимает у контура энергию, что также способствует затуханию колебаний. Одним словом, будем считать, что r — это эквивалентная величина, отвечающая за все потери энергии в контуре. Тогда уравнение. Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Поэтому наша задача — это слагаемое скомпенсировать. Физически это означает, что в контур надо подкачать дополнительную энергию, т. Как же это сделать, не разрывая цепь? Проще всего воспользоваться магнитным полем — создать дополнительный магнитный поток, пронизывающий витки катушки контура. Для этого неподалеку от этой катушки нужно разместить еще одну катушку рис.
Определение 1 Установившиеся вынужденные колебания всегда происходят с частотой внешней силы. Частоту свободных колебаний определяют параметры системы. Однако из-за сил трения свободные колебания в определенный момент затухают, поэтому по прошествии времени в системе сохраняются лишь стационарные колебания с той частотой, которая соответствует внешней вынуждающей силе. Пример 1 Разберем пример.
Автоколебания груза на пружине Подобным же образом возникают незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что в нем периодические толчки создаются отдельным электромагнитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке. Аналогичным путем можно получить автоколебания со звуковыми частотами, например возбудить незатухающие колебания камертона рис. Когда ножки камертона расходятся, замыкается контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток, и электромагнит стягивает ножки камертона. Контакт при этом размыкается, и далее следует повторение всего цикла. Автоколебания камертона Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь не при расхождении, а при сближении ножек, т. Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат непрерывно включенным электромагнитом, т. Электромеханические автоколебательные системы применяются в технике очень широко, но не менее распространенными и важными являются и чисто механические автоколебательные устройства. Достаточно указать на любой часовой механизм. Незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживаются за счет потенциальной энергии поднятой гири или за счет упругой энергии заведенной пружины. На этом рисунке изображен так называемый анкерный ход. Колесо с косыми зубьями 1 ходовое колесо жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2.
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.
В отрицательный полупериод когда на сетке отрицательный потенциал на катоде - положительный лампа «заперта» и источник тока не работает. Напротив, в положительную полупериод когда на сетке положительный потенциал, на катоде - отрицательный источник Ба создает анодный ток, пополняя энергию колебательного контура, которая расходуется на теплоту и электромагнитное излучение.
Благодаря этому в контуре существуют незатухающие колебания. 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.
Благодаря этому в контуре существуют незатухающие колебания. 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.
Как только тело или система выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Эта сила называется возвращающей, она всегда направлена к положению равновесия, происхождение ее различно: а для пружинного маятника - сила упругости; б для математического маятника - составляющая сила тяжести. Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.
Гармонические колебания и их характеристики.
| Ответы : Примеры затухающих и незатухающих колебаний | Примеры незатухающих колебаний Незатухающие колебания — это колебания системы, которые продолжаются вечно без потери энергии. |
| 3. Затухающие колебания. Колебания. Физика. Курс лекций | Примеры незатухающих колебаний в природе 1. Плазменные колебания: В плазме, которая является четвертым состоянием вещества, происходят незатухающие колебания. |
Свободные незатухающие колебания
Акустические незатухающие колебания Акустические незатухающие колебания — это колебания звуковой волны в среде, которые не теряют энергию и продолжают распространяться на большие расстояния без изменения амплитуды. Примерами незатухающих колебаний являются колебания в маятниках, электрических схемах, контурах RLC и др. Затухающие колебания — это колебания, амплитуда которых со временем уменьшается из-за внешней силы или трения, в то время как незатухающие колебания продолжаются неопределенно долго с постоянной амплитудой. Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии.
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
Примером незатухающих колебаний может служить колебание маятника с нулевым затуханием. Незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Собственные незатухающие колебания – это, скорее, теоретическое явление. Смысл, который вкладывался в понятие периода для незатухающих колебаний, не подходит для затухающих колебаний, так как колебательная система никогда не возвращается в исходное состояние из-за потерь колебательной энергии.
Свободные незатухающие колебания
Когда маятник отклоняется от своего равновесного положения и отпускается, он начинает колебаться вокруг этого положения. В идеальных условиях, без учета сопротивления воздуха и трений, колебания маятника будут незатухающими. Еще одним примером незатухающих колебаний является колебательный контур. Колебательный контур состоит из индуктивности, емкости и сопротивления. Когда энергия подается в такой контур, например, при подключении источника переменного тока, происходят колебания заряда и тока в контуре.
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.
Автоколебания камертона Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь не при расхождении, а при сближении ножек, т. Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат непрерывно включенным электромагнитом, т.
Электромеханические автоколебательные системы применяются в технике очень широко, но не менее распространенными и важными являются и чисто механические автоколебательные устройства. Достаточно указать на любой часовой механизм. Незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживаются за счет потенциальной энергии поднятой гири или за счет упругой энергии заведенной пружины. На этом рисунке изображен так называемый анкерный ход. Колесо с косыми зубьями 1 ходовое колесо жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей 2. 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.
В отличие от затухающих колебаний, если производимые колебания не затухают, потери мощности не будет, и, следовательно, не будет необходимости компенсировать энергию или любые потери, вызванные ею. В то время как в затухающих колебаниях большая часть энергии требует компенсации из-за потери мощности. Основные различия между затухающими и незатухающими колебаниями Основное различие между затухающими и незатухающими колебаниями состоит в том, что колебания, амплитуда которых с течением времени продолжает уменьшаться, являются затухающими колебаниями, а тип колебаний, амплитуда которых остается неизменной и постоянной во времени, — незатухающими колебаниями. Амплитуда, генерируемая волнами в затухающих, постепенно уменьшается, поэтому эти колебания не длятся долго и прекращаются в какой-то момент. В то время как в колебаниях, которые производят незатухающие колебания, нет потери мощности. Частота в затухающих колебаниях остается неизменной, а в незатухающих амплитуда во времени не меняется. Затухающие колебания со временем затухают, а незатухающие остаются прежними.
Примером затухающего колебания может служить маятник, который качается с постоянной скоростью, колебание постепенно замедляется и через некоторое время прекращается. Примером незатухающих колебаний является детская пружина.
Зильберман А. По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант" Такие генераторы применяются во многих устройствах — радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, компьютерах, электроорганах и т. Так, частоты генераторов могут лежать в диапазоне от нескольких десятков герц низкие ноты в электрооргане до сотен мегагерц телевидение и даже до нескольких гигагерц спутниковое телевидение, радиолокаторы, используемые сотрудниками ГАИ для определения скорости автомобиля. Мощность, которую может отдать генератор потребителю, составляет от нескольких микроватт генератор в наручных часах до десятков ватт генератор телевизионной развертки , а в некоторых специальных случаях мощность может быть такой, что и писать нет смысла — все равно вы не поверите. Форма колебаний возможна как самая простая — синусоидальная гетеродин радиоприемника или прямоугольная таймер компьютера , так и весьма сложная — «имитирующая» звучание музыкальных инструментов музыкальные синтезаторы.
Конечно, мы не будем рассматривать все это разнообразие, а ограничимся совсем простым примером — маломощным генератором синусоидального напряжения умеренной частоты сотни килогерц. Уравнение процесса легко получить, приравняв с учетом знаков напряжения на конденсаторе и на катушке — ведь они включены параллельно рис. Решение этого уравнения хорошо известно — это гармонические колебания. Пусть, для определенности, вся неидеальность контура связана с тем, что у катушки, точнее — у провода, из которого она намотана, есть активное омическое сопротивление r рис. На самом деле, конечно, потери энергии есть и у конденсатора хотя на не очень высоких частотах сделать очень хороший конденсатор можно без особого труда. Да и потребитель отнимает у контура энергию, что также способствует затуханию колебаний.