Hay diferentes tipos de oscilaciones en física, caracterizadas por ciertos parámetros. Considere sus principales diferencias, clasificación según diferentes factores.
Definiciones básicas
Bajo fluctuación se entiende un proceso en el que a intervalos regulares las principales características del movimiento tienen los mismos valores.
Las oscilaciones periódicas son aquellas en las que los valores de las cantidades básicas se repiten a intervalos regulares (período de oscilación).
Variedades de procesos oscilatorios
Veamos los principales tipos de oscilaciones que existen en la física fundamental.
Las vibraciones libres son aquellas que ocurren en un sistema que no está sujeto a influencias variables externas después del choque inicial.
Un ejemplo de oscilación libre es un péndulo matemático.
Aquellos tipos de vibraciones mecánicas que se producen en el sistema bajo la acción de una fuerza variable externa.
Características de la clasificación
Por naturaleza física, se distinguen los siguientes tipos de movimientos oscilatorios:
- mecánica;
- térmica;
- electromagnético;
- mixto.
Según la opción de interacción con el entorno
Los tipos de fluctuaciones en interacción con el entorno se dividen en varios grupos.
Las oscilaciones forzadas aparecen en el sistema bajo la acción de una acción periódica externa. Como ejemplos de este tipo de oscilación, podemos considerar el movimiento de las manos, las hojas de los árboles.
Para oscilaciones armónicas forzadas, puede aparecer una resonancia, en la que, con valores iguales de la frecuencia de la influencia externa y del oscilador, con un fuerte aumento de amplitud.
Vibraciones propias en el sistema bajo la influencia de fuerzas internas después de que se saca del equilibrio. La versión más simple de vibraciones libres es el movimiento de una carga suspendida de un hilo o unida a un resorte.
Las auto-oscilaciones son tipos en los que el sistema tiene una cierta cantidad de energía potencial utilizada para hacer oscilaciones. Su característica distintiva es el hecho de que la amplitud se caracteriza por las propiedades del sistema en sí, y no por las condiciones iniciales.
Para fluctuaciones aleatorias, la carga externa tiene un valor aleatorio.
Parámetros básicos de los movimientos oscilatorios
Todos los modos de vibración tienen ciertas características que deben mencionarse por separado.
La amplitud es la desviación máxima de la posición de equilibrio, la desviación de un valor fluctuante, se mide en metros.
Período es el tiempo de un giro completo, a travésque repite las características del sistema, se calcula en segundos.
La frecuencia está determinada por el número de oscilaciones por unidad de tiempo, es inversamente proporcional al período de oscilación.
La fase de oscilación caracteriza el estado del sistema.
Características de las oscilaciones armónicas
Estos tipos de oscilaciones ocurren según la ley del coseno o del seno. Fourier logró establecer que cualquier oscilación periódica puede representarse como una suma de cambios armónicos mediante la expansión de una determinada función en una serie de Fourier.
Como ejemplo, considere un péndulo con cierto período y frecuencia cíclica.
¿Qué caracteriza a este tipo de fluctuaciones? La física considera que el péndulo matemático es un sistema idealizado, que consiste en un punto material, que está suspendido en un hilo inextensible y sin peso, oscila bajo la influencia de la gravedad.
Este tipo de vibraciones tienen una cierta cantidad de energía, son comunes en la naturaleza y la tecnología.
Con un movimiento oscilatorio prolongado, la coordenada de su centro de masa cambia, y con corriente alterna, el valor de la corriente y el voltaje en el circuito cambia.
Existen diferentes tipos de oscilaciones armónicas por naturaleza física: electromagnéticas, mecánicas, etc.
La sacudida de un vehículo que se desplaza por un camino accidentado actúa como una oscilación forzada.
Principales diferencias entre forzado y librefluctuaciones
Estos tipos de oscilaciones electromagnéticas difieren en sus características físicas. La presencia de fuerzas de resistencia y fricción medias conducen a la amortiguación de oscilaciones libres. En el caso de oscilaciones forzadas, las pérdidas de energía se compensan con su aporte adicional desde una fuente externa.
El período de un péndulo de resorte relaciona la masa del cuerpo y la rigidez del resorte. En el caso de un péndulo matemático, depende de la longitud del hilo.
Con un período conocido, puede calcular la frecuencia natural del sistema oscilatorio.
En la tecnología y la naturaleza, existen fluctuaciones con diferentes valores de frecuencia. Por ejemplo, el péndulo que oscila en la Catedral de San Isaac en San Petersburgo tiene una frecuencia de 0,05 Hz, mientras que para los átomos es de varios millones de megahercios.
Después de un cierto período de tiempo, se observa amortiguación de oscilaciones libres. Es por eso que las oscilaciones forzadas se utilizan en la práctica real. Están en demanda en una variedad de máquinas de vibración. El martillo vibratorio es una máquina de choque y vibración diseñada para clavar tuberías, pilotes y otras estructuras metálicas en el suelo.
Oscilaciones electromagnéticas
La caracterización de los modos de oscilación implica el análisis de los principales parámetros físicos: carga, voltaje, intensidad de la corriente. Como sistema elemental, que se utiliza para observar las oscilaciones electromagnéticas, es un circuito oscilatorio. Se forma conectando una bobina y un capacitor en serie.
Cuando el circuito está cerrado, electromagnético librefluctuaciones asociadas con cambios periódicos en la carga eléctrica del capacitor y la corriente en la bobina.
Son gratuitos debido a que cuando se realizan no hay ninguna influencia externa, sino que solo se utiliza la energía almacenada en el propio circuito.
Si consideramos que la resistencia de la bobina es cero y tomamos el período de oscilación como T, podemos considerar una oscilación completa realizada por el sistema.
En ausencia de influencia externa, después de un cierto período de tiempo, se observa la amortiguación de la oscilación electromagnética. La razón de este fenómeno será la descarga gradual del condensador, así como la resistencia que realmente tiene la bobina.
Es por eso que se producen oscilaciones amortiguadas en un circuito real. La reducción de la carga en el capacitor conduce a una disminución en el valor de la energía en comparación con su valor original. Gradualmente, se liberará como calor en los cables de conexión y la bobina, el capacitor se descargará por completo y la oscilación electromagnética se completará.
La importancia de las fluctuaciones en la ciencia y la tecnología
Todos los movimientos que tienen un cierto grado de repetición son oscilaciones. Por ejemplo, un péndulo matemático se caracteriza por una desviación sistemática en ambas direcciones desde la posición vertical original.
Para un péndulo de resorte, una oscilación completa corresponde a su movimiento hacia arriba y hacia abajo desde la posición inicial.
En un circuito eléctrico que tiene capacitancia e inductancia, hay una repetición de carga enplacas de capacitor ¿Cuál es la causa de los movimientos oscilatorios? El péndulo funciona debido al hecho de que la gravedad hace que regrese a su posición original. En el caso de un modelo de resorte, la fuerza elástica del resorte realiza una función similar. Pasando la posición de equilibrio, la carga tiene una cierta velocidad, por lo tanto, por inercia, se mueve más allá del estado medio.
Las oscilaciones eléctricas se pueden explicar por la diferencia de potencial que existe entre las placas de un capacitor cargado. Incluso cuando está completamente descargado, la corriente no desaparece, se recarga.
La tecnología moderna utiliza fluctuaciones que difieren significativamente en su naturaleza, grado de repetición, naturaleza y también el "mecanismo" de apariencia.
Las vibraciones mecánicas están hechas por cuerdas de instrumentos musicales, olas del mar, un péndulo. Las fluctuaciones químicas asociadas con un cambio en la concentración de los reactivos se tienen en cuenta al realizar varias interacciones.
Las oscilaciones electromagnéticas permiten la creación de varios dispositivos técnicos, como teléfonos, dispositivos médicos ultrasónicos.
Las fluctuaciones de brillo de las Cefeidas son de particular interés en astrofísica, y científicos de diferentes países las están estudiando.
Conclusión
Todos los tipos de oscilaciones están estrechamente relacionados con una gran cantidad de procesos técnicos y fenómenos físicos. Su importancia práctica es grande en la construcción de aeronaves, la construcción naval, la construcción de complejos residenciales, la ingeniería eléctrica, la radioelectrónica, la medicina y las ciencias fundamentales. Un ejemplo de un proceso oscilatorio típico enLa fisiología favorece el movimiento del músculo cardíaco. Las vibraciones mecánicas se encuentran en la química orgánica e inorgánica, la meteorología y muchas otras ciencias naturales.
Los primeros estudios del péndulo matemático se llevaron a cabo en el siglo XVII y, a fines del siglo XIX, los científicos pudieron establecer la naturaleza de las oscilaciones electromagnéticas. El científico ruso Alexander Popov, considerado el "padre" de las comunicaciones por radio, realizó sus experimentos precisamente sobre la base de la teoría de las oscilaciones electromagnéticas, resultado de las investigaciones de Thomson, Huygens y Rayleigh. Logró encontrar una aplicación práctica para las oscilaciones electromagnéticas, usarlas para transmitir una señal de radio a larga distancia.
El académico P. N. Lebedev realizó durante muchos años experimentos relacionados con la producción de oscilaciones electromagnéticas de alta frecuencia utilizando campos eléctricos alternos. Gracias a numerosos experimentos relacionados con varios tipos de vibraciones, los científicos han logrado encontrar áreas para su uso óptimo en la ciencia y la tecnología modernas.
