Вивчаємо механічні коливання

Навколишній нас фізичний світ сповнений рухом. Практично неможливо знайти хоча б одне фізичне тіло, яке можна було б вважати перебувають у стані спокою. Крім рівномірно поступального прямолінійного руху, руху по складній траєкторії, руху з прискоренням та інших, ми можемо спостерігати на власні очі або випробовувати на собі вплив періодично повторюваних переміщень матеріальних предметів.

Людина давно помітив відмінні властивості та особливості коливальних рухів і навіть навчився використовувати механічні коливання в своїх цілях. Всі періодично повторювані в часі процеси можна назвати коливаннями. Механічні коливання є лише частиною цього різноманітного світу явищ, що відбуваються практично за одними законами. На наочному прикладі механічних повторюваних рухів можна скласти основні правила і визначити закони, за якими відбуваються електромагнітні, електромеханічні та інші коливальні процеси.

Природа виникнення механічних коливань криється в періодичному перетворенні потенційної енергії в кінетичну. Описати приклад, як відбувається перетворення енергії при механічних коливаннях, можна, розглядаючи кулька, підвішений на пружині. У спокійному стані сила тяжіння врівноважується силою пружності пружини. Але варто вивести систему зі стану рівноваги примусово, спровокувавши тим самим рух з сторону точки рівноваги, як потенційна енергія почне свій перетворення в кінетичну. А та, в свою чергу, з моменту проходження кулькою нульовій позиції почне перетворюватися в потенційну. Цей процес відбувається настільки довго, наскільки умови існування системи наближаються до бездоганним.

Математично ідеальними вважаються коливання, що відбуваються за законом синуса або косинуса. Такі процеси прийнято називати гармонійними коливаннями. Ідеальним прикладом механічних гармонійних коливань є рух маятника в абсолютно-безповітряному просторі, коли відсутній вплив сил тертя. Але це зовсім бездоганний випадок, домогтися якого технічно вельми проблематично.

Механічні коливання, незважаючи на їх тривалість, рано чи пізно припиняються, і система займає положення відносної рівноваги. Відбувається це через розтрати енергії на подолання опору повітря, тертя і інших чинників, невідворотно призводять до коректування розрахунків при переході від ідеальних до реальних умов, в яких існує розглянута система.

Невідворотно наближаючись до глибокого вивчення та аналізу, приходимо до необхідності математично описати механічні коливання. Формули цього процесу включають такі величини, як амплітуда (А), частота коливань (w), початкова фаза (a). А функція залежності зсуву (х) від часу (t) в класичному вигляді має вигляд

x = Acos (wt + a).

Також варто згадати про величину, що характеризує механічні коливання, що має назву - період (T), який математично визначається, як

T = 2pi- / w.

Механічні коливання, крім наочності опису процесів коливань немеханічної природи, цікавлять нас деякими властивостями, які при правильному використанні можуть надати певну користь, а при їх ігноруванні - привести до істотних неприємностей.

Особливу увагу потрібно приділяти явищу різкого стрибка амплітуди при вимушених коливаннях, що наступають при наближенні частоти впливу змушує сили до частоти власних коливань тіла. Воно називається резонансом. Широко використовується в електроніці, в механічних системах явище резонансу в основному проявляє руйнівний характер, його необхідно враховувати при створенні найрізноманітніших механічних конструкцій і систем.

Наступним проявом механічних коливань є вібрація. Її поява може надати не лише певний дискомфорт, а й привезти до виникнення резонансу. Але, крім негативного впливу, місцева вібрація з невеликою інтенсивністю прояву може сприятливо впливати в цілому на організм людини, покращуючи функціональний стан ЦНС, і навіть прискорювати загоєння ран і т.п.

Серед варіантів прояву механічних коливань можна виділити явище звуку, ультразвуку. Корисні властивості цих механічних хвиль та інших проявів механічних коливань широко використовуються в самих різних галузях людської життєдіяльності.