Вільні коливання
Коливальні процеси - одне з найпоширеніших явищ в природі. Їх дослідженням займаються різні галузі знання, насамперед, фізика. Щоб відповісти на питання, які коливання називаються вільними, слід врахувати, що дана категорія є вихідною у вивченні всього різноманіття коливальних явищ, що мають місце в природі.
Розрізняють такі їх види, що класифікуються за таких підстав.
По фізичній природі розрізняють коливання механічні, електромагнітні та змішані, які поєднують ознаки уже названих.
За способом протікання в навколишніх середовищах виділяють коливання:
- вимушені, тобто ті, які викликаються і відбуваються під впливом різного роду зовнішніх збурень середовищ, в яких вони відбуваються. При цьому повинна дотримуватися умова періодичності цих возмущеній-
- вільні коливання, звані ще власними, які ініціюються внутрішніми властивостям системи і які характеризуються обов'язковим загасанням, коли дія внутрішніх сил припиняється або уменьшается-
- автоколебания - такі, які характеризуються наявністю у системи деякого потенціалу (Потенційної енергії), забезпечує здійснення коливань. Головне, чим вільні коливання відрізняються від автоколивань, виступає залежність амплітуди немає від початкового ініціюючого імпульсу сили, а від характеристик самої фізичної системи-
- параметричні - це коливання, які формуються при навмисному завданні коливальній системі будь-якого параметра, що виступає проявом властивостей зовнішньої середовища-
- випадкові коливання являють собою такі, в яких впливають на коливальний процес фактори носять випадковий, що не параметричний характер.
Узагальнюючи дані характеристики, можна зробити висновок про те, що в найзагальнішому вигляді коливання - це повторювані з певною періодичністю зміни якоїсь системи щодо її рівноважного стану. Найбільш поширеними сферами прояви коливальних процесів у природі виступають механічні явища, хімічні, хвильові й електричні, астрономічні, електромагнітні та інші. Загальною властивістю всіх без винятку видів коливань, є те, що вони безпосередньо пов'язані з енергетичним переходом - перетворенням одного виду енергії в інший.
Як уже зазначалося, вихідною точкою в дослідженні природи коливальних процесів, є дослідження такого їх виду, як вільні коливання. Їх основними характеристиками є наступні параметри:
- амплітуда (А) - найбільша величина відхилення системи від її рівноважного стану (найчастіше використовується показник усередненого значення) -
- період (Т) - певний відрізок часу, протягом якого можна зафіксувати повторення станів системи-
- частота вільних коливань (f) - кількість коливань, яка вчиняє система за певну одиницю часу. Цей параметр вимірюється в герцах (Гц).
Зв'язок цих параметрів відображає формула, яка характеризує вільні коливання як явище. Для різних коливальних систем параметри в дану формулу включаються в різних поєднаннях, залежно від того, яка конкретно система розглядається.
Наприклад, у найпростішому коливальному контурі період і частота, пов'язані формулою: f = 1 / T, з неї видно, що період і частота є зворотними значеннями.
Якщо розглянути вільні коливання, які відбуваються в такій системі, якою є закріплена статично пружина, що володіє певною пружністю (k), то тут слід звернутися до другого закону Ньютона. З урахуванням його, формула, що відображає властивості розглянутої коливальної системи, прийме вигляд: F = -kx. Це говорить про те, що якщо знехтувати значеннями сил тертя, а масу прийняти за величину постійну, то така система буде завжди здійснювати коливання з однаковим періодом, навіть при різних амплітудах і початкових умовах їх виникнення.