Коливання. Види коливань. Фізичні величини, що характеризують коливання

1. Види коливань та умови їх виникнення

Коливання – це зміни стану системи біля певної точки рівноваги, які точно або приблизно повторюються з часом.

За характером взаємодії з навколишніми тілами та полями розрізняють вільні коливання, вимушені коливання, автоколивання.

Якщо в коливальній системі немає жодних втрат енергії, то коливання триватимуть як завгодно довго – їхня амплітуда із часом не змінюватиметься.

Незатухаючі коливання – коливання, амплітуда яких із часом не змінюється.

У будь-якій реальній коливальній системі завжди є втрати енергії: під час механічних коливань енергія витрачається на долання сил тертя, деформацію; під час електромагнітних коливань – на нагрівання провідників, випромінювання електромагнітних хвиль. У результаті амплітуда коливань із часом зменшується, і через певний інтервал часу, якщо немає надходжень енергії від зовнішнього джерела, коливання припиняються (згасають).

Згасаючі коливання – це коливання, амплітуда яких із часом зменшується.

2. Гармонічні коливання

Коли тіло здійснює механічні коливання, змінюються його координата, швидкість і прискорення. У випадку електромагнітних коливань змінюються сила струму в колі, заряд і напруга на обкладках конденсатора, ЕРС. У рамках шкільного курсу фізики ми будемо розглядати тільки гармонічні коливання.

Гармонічні коливання – це коливання, за яких значення змінної величини змінюється з часом за гармонічним законом.

x=A cos⁡(ωt+φ₀ ) або x=A sin⁡(ωt+φ₀ )

x – значення змінної величини в даний момент часу ; A – амплітуда коливань; ω  – циклічна частота;  φ₀ – початкова фаза коливань.

Графік гармонічних коливань має вигляд кривої, що у математиці зветься синусоїдою або косинусоїдою.

Графіки гармонічних коливань:

а – графік залежності координати тіла від часу: x(t)=x_max sin⁡(ωt+φ₀ )

б – графік залежності сили струму від часу: i(t)=I_max sin⁡ωt

I_max, x_max– амплітуди коливань; T– період коливань; φ₀ – початкова фаза коливань

а)                б)

3. Фізичні величини, що характеризують коливальний рух

Амплітуда коливань  – це фізична величина, яка характеризує коливання і дорівнює максимальному значенню змінної величини.

Уразі механічних коливань амплітуду розуміють як максимальне зміщення  Можна говорити також про амплітуду швидкості й амплітуду прискорення .

У разі електромагнітних коливань говорять про амплітуду сили струму , амплітуду напруги , амплітуду ЕРС .

Період коливань T – фізична величина, яка характеризує коливання і дорівнює мінімальному інтервалу часу, через який значення змінної величини повторюється, тобто часу, за який здійснюється одне повне коливання.

T=t/N

t– час коливань; N – кількість повних коливань за цей час.

Одиниця періоду коливань у СІ – секунда:

Частота коливань ν – фізична величина, яка характеризує коливання і чисельно дорівнює кількості повних коливань, які здійснюються

ν=N/t

Одиниця частоти коливань у СІ – герц:

Циклічна частота ω – фізична величина, яка характеризує коливання і чисельно дорівнює кількості повних коливань, які здійснюються за 2 π секунд.

ω=2πν=2π/T

Одиниця циклічної частоти в СІ – радіан за секунду:

Фаза коливань  – фізична величина, яка характеризує стан коливальної системи в даний момент часу.

φ=ωt+φ_₀

Фаза коливань визначається періодом коливань (оскільки ), моментом часу , у який фіксується значення змінної величини, та початковою фазою коливань  – фазою коливань у момент початку відліку часу.

Які коливання називають вільними? вимушеними? автоколиваннями?