Oscylacje zachodzące pod wpływem siły przywracającej. Główna właściwość układów oscylacyjnych. Prędkość dźwięku zależy od

Wibracje mechaniczne – są to ruchy, które powtarzają się dokładnie lub w przybliżeniu w regularnych odstępach czasu. (na przykład, huśtawka gałęzi na drzewie, wahadło zegara, samochód na sprężynach i tak dalej)

Oscylacje są darmowy oraz wymuszony.

Nazywane są oscylacje powstające w układzie pod działaniem sił wewnętrznychdarmowy... Wszystkie swobodne drgania są tłumione. (na przykład: drgania struny po uderzeniu)

Nazywa się oscylacje wykonane przez ciała pod działaniem zewnętrznych, okresowo zmieniających się siłwymuszony (na przykład: oscylacja metalowego przedmiotu podczas kucia kowala).

Warunki swobodnej wibracji :

Kiedy ciało jest wyprowadzane z pozycji równowagi, w układzie musi powstać siła, która dąży do przywrócenia go do pozycji równowagi;
Siły tarcia w systemie muszą być bardzo małe (tj. dążą do zera).

… mi krewni → E r → mi krewni →…

Na przykładzie drgań ciała na nitce widzimy konwersja energii ... W pozycji 1 obserwujemy równowagę układu oscylacyjnego. Prędkość, a tym samym energia kinetyczna ciała jest maksymalna. Kiedy wahadło odchyla się od położenia równowagi, wznosi się na wysokość h w stosunku do poziomu zerowego, dlatego w punkcie A wahadło ma energię potencjalną E p ... Przechodząc do pozycji równowagi, do punktu O, wysokość spada do zera, a prędkość ładunku wzrasta, a w punkcie O cała energia potencjalna E p zamieni się w energię kinetyczną E kin ... W pozycji równowagi energia kinetyczna osiąga maksimum, a energia potencjalna minimum. Po przejściu pozycji równowagi przez bezwładność energia kinetyczna jest zamieniana na energię potencjalną, prędkość wahadła maleje i osiąga maksimum

Ruch, w którym stany ruchu ciała powtarzają się w czasie, a ciało przechodzi przez pozycję równowagi stabilnej naprzemiennie w przeciwnych kierunkach, nazywa się mechanicznym ruchem oscylacyjnym.

Jeżeli stany ruchu ciała powtarzają się w regularnych odstępach, to drgania są okresowe. Układ fizyczny (ciało), w którym powstają i występują oscylacje podczas odchylania się od położenia równowagi, nazywany jest układem oscylacyjnym.

Proces oscylacyjny w układzie może zachodzić pod wpływem zarówno sił zewnętrznych, jak i wewnętrznych.

Oscylacje występujące w układzie pod działaniem tylko sił wewnętrznych nazywane są swobodnymi.

Aby w systemie pojawiły się swobodne oscylacje, konieczne jest:

Obecność stabilnego położenia równowagi układu, dzięki czemu w układzie pokazanym na rysunku 13.1, a; w przypadkach bic nie wystąpią.
Obecność nadmiaru energii mechanicznej w punkcie materialnym w porównaniu z jego energią w pozycji stabilnej równowagi. Tak więc w układzie (ryc. 13.1, a) konieczne jest na przykład usunięcie ciała z pozycji równowagi: tj. komunikować nadmiar energii potencjalnej.
Działanie na punkt materialny siły przywracającej, tj. siła zawsze skierowana w stronę położenia równowagi. W systemie pokazanym na ryc. 13.1, ale siła przywracająca jest wypadkową siłą grawitacji i siłą normalnej reakcji \ (\ vec N \) podpory.
W idealnych układach oscylacyjnych nie ma sił tarcia, a powstałe oscylacje mogą trwać przez długi czas. W warunkach rzeczywistych drgania występują w obecności sił oporu. Aby oscylacja powstawała i trwała, nadmiar energii odbierany przez punkt materialny po przemieszczeniu z pozycji stabilnej równowagi nie powinien być całkowicie wykorzystany na pokonanie oporu podczas powrotu do tej pozycji.

Literatura

Aksenovich L.A. Fizyka w liceum: Teoria. Zadania. Testy: Podręcznik. dodatek dla instytucji zapewniających odbiór obs. środowiska, edukacja. - S. 367-368.

Ogólne właściwości wszystkich systemów oscylacyjnych:

Obecność pozycji stabilnej równowagi.

Obecność siły, która przywraca układ do pozycji równowagi.

Charakterystyka ruchu oscylacyjnego:

Amplituda - największe (w module) odchylenie ciała od pozycji równowagi.

Okres - okres czasu, w którym ciało wykonuje jedną pełną wibrację.

Częstotliwość to liczba oscylacji na jednostkę czasu.

Faza (różnica faz)

Zakłócenia rozprzestrzeniające się w przestrzeni, oddalające się od miejsca ich występowania, nazywane są fale.

Warunkiem koniecznym pojawienia się fali jest pojawienie się w momencie pojawienia się zakłócenia sił, które temu zapobiegają, na przykład sił sprężystych.

Rodzaje fal:

Wzdłużna - fala, w której występują oscylacje wzdłuż kierunku propagacji fali

Poprzeczna - fala, w której oscylacje występują prostopadle do kierunku ich propagacji.

Charakterystyka fali:

Długość fali to odległość między punktami najbliżej siebie, oscylującymi w tych samych fazach.

Prędkość fali to wartość liczbowo równa odległości, jaką dowolny punkt fali pokonuje w jednostce czasu.

Fale dźwiękowe - są to podłużne fale sprężyste. Ludzkie ucho odbiera drgania o częstotliwości od 20 Hz do 20 000 Hz w postaci dźwięku.

Źródłem dźwięku jest ciało wibrujące z częstotliwością dźwięku.

Odbiornik dźwięku - korpus zdolny do odbierania drgań dźwiękowych.

Prędkość dźwięku to odległość, na jaką rozchodzi się fala dźwiękowa w ciągu 1 sekundy.

Prędkość dźwięku zależy od:

Temperatury.

Charakterystyka dźwięku:

Poziom
Amplituda
Tom. Zależy od amplitudy wibracji: im większa amplituda wibracji, tym głośniejszy dźwięk.

Numer biletu 9. Modele struktury gazów, cieczy i ciał stałych. Ruch termiczny atomów i cząsteczek. Ruch i dyfuzja Browna. Oddziaływanie cząstek materii

Cząsteczki gazu, poruszające się we wszystkich kierunkach, prawie nie są do siebie przyciągane i wypełniają całe naczynie. W gazach odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż wielkość samych cząsteczek. Ponieważ odległości między molekułami są średnio kilkadziesiąt razy większe niż rozmiar molekuł, są one do siebie słabo przyciągane. Dlatego gazy nie mają własnej formy i stałej objętości.

Cząsteczki cieczy nie rozpraszają się na duże odległości, a ciecz w normalnych warunkach zachowuje swoją objętość. Cząsteczki cieczy znajdują się blisko siebie. Odległość między każdą dwiema cząsteczkami jest mniejsza niż wielkość cząsteczek, więc przyciąganie między nimi staje się znaczące.

W ciałach stałych przyciąganie między cząsteczkami (atomami) jest nawet większe niż w przypadku cieczy. Dlatego w normalnych warunkach ciała stałe zachowują swój kształt i objętość. W ciałach stałych cząsteczki (atomy) są ułożone w określonej kolejności. Są to lód, sól, metale itp. Takie ciała nazywane są kryształy. Cząsteczki lub atomy ciał stałych wibrują wokół określonego punktu i nie mogą się od niego oddalić. Dzięki temu bryła zachowuje nie tylko swoją objętość, ale także kształt.

Ponieważ jego t jest związane z prędkością ruchu cząsteczek, wtedy chaotyczny ruch cząsteczek tworzących ciała nazywa się ruch termiczny... Ruch termiczny różni się od ruchu mechanicznego tym, że uczestniczy w nim wiele cząsteczek, a każda z nich porusza się losowo.

Ruch Browna - Jest to przypadkowy ruch małych cząstek zawieszonych w cieczy lub gazie, zachodzący pod wpływem cząsteczek otoczenia. Odkryta i po raz pierwszy zbadana w 1827 roku przez angielskiego botanika R. Browna jak ruch pyłku w wodzie, widoczny przy dużym powiększeniu. Ruch Browna nie ustaje.

Nazywa się zjawisko wzajemnego przenikania cząsteczek jednej substancji między cząsteczkami innej dyfuzja.

Między cząsteczkami substancji istnieje wzajemne przyciąganie. Jednocześnie istnieje odpychanie między cząsteczkami substancji.

Przy odległościach porównywalnych z rozmiarami samych cząsteczek przyciąganie jest bardziej zauważalne, a przy dalszym zbliżaniu się odpychanie.

Bilet№ 10. Równowaga termiczna. Temperatura. Pomiar temperatury. Związek między temperaturą a prędkością chaotycznego ruchu cząstek

Dwa układy znajdują się w stanie równowagi termicznej, jeśli przy kontakcie przez przegrodę diatermiczną parametry stanu obu układów nie zmieniają się. Przegroda diatermiczna w ogóle nie zakłóca interakcji termicznych systemów. Dzięki kontaktowi termicznemu oba systemy osiągają stan równowagi termicznej.

Temperatura jest wielkością fizyczną, która w przybliżeniu charakteryzuje średnią energię kinetyczną cząstek układu makroskopowego w stanie równowagi termodynamicznej na stopień swobody.

Temperatura jest wielkością fizyczną charakteryzującą stopień nagrzania ciała.

Temperatura jest mierzona za pomocą termometrów. Główne jednostki miary temperatury to Celsjusz, Fahrenheit i Kelvin.

Termometr – urządzenie służące do pomiaru temperatury danego ciała poprzez porównanie jej z wartościami odniesienia, konwencjonalnie wybranymi jako punkty odniesienia i pozwalające na ustawienie skali pomiaru. W tym przypadku różne termometry wykorzystują różne zależności między temperaturą a pewnymi obserwowalnymi właściwościami urządzenia, które można uznać za liniowo zależne od temperatury.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta średnia prędkość cząstek.

Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się średnia prędkość cząstek.

Numer biletu 11. Energia wewnętrzna. Praca i wymiana ciepła jako sposoby zmiany energii wewnętrznej organizmu. Prawo zachowania energii w procesach cieplnych

Nazywa się energię ruchu i interakcji cząstek tworzących ciało energia wewnętrzna ciała.

Energia wewnętrzna ciała nie zależy ani od mechanicznego ruchu ciała, ani od położenia tego ciała względem innych ciał.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić na dwa sposoby: wykonując pracę mechaniczną lub przenosząc ciepło.

wymiana ciepła.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wewnętrzna energia organizmu. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się energia wewnętrzna ciała. Wewnętrzna energia ciała wzrasta podczas pracy nad nim.

Energia mechaniczna i wewnętrzna może przenosić się z jednego ciała na drugie.

Ten wniosek dotyczy wszystkich procesów termicznych. Na przykład przy przenoszeniu ciepła bardziej nagrzane ciało oddaje energię, a mniej nagrzane ciało otrzymuje energię.

Kiedy energia jest przekazywana z jednego ciała do drugiego lub gdy jeden rodzaj energii jest przekształcany w inną energię nie ustępuje .

Jeżeli między ciałami zachodzi wymiana ciepła, to energia wewnętrzna wszystkich ciał grzejnych wzrasta tak bardzo, jak maleje energia wewnętrzna ciał chłodzących.

Bilet№ 12. Rodzaje wymiany ciepła: przewodność cieplna, konwekcja, promieniowanie. Przykłady wymiany ciepła w przyrodzie i technologii

Nazywa się proces zmiany energii wewnętrznej bez wykonywania pracy nad ciałem lub samym ciałem wymiana ciepła.

Nazywa się przenoszenie energii z bardziej nagrzanych części ciała do mniej nagrzanych w wyniku ruchu termicznego i interakcji cząstek przewodność cieplna.

Na konwekcja energia jest przenoszona przez same strumienie gazu lub cieczy.

Promieniowanie - proces przekazywania ciepła przez promieniowanie.

Przenoszenie energii przez promieniowanie różni się od innych rodzajów przenoszenia ciepła tym, że może odbywać się w całkowitej próżni.

Przykłady wymiany ciepła w przyrodzie i technologii:

Wiatry. Wszystkie wiatry w atmosferze to prądy konwekcyjne na ogromną skalę.

Konwekcja wyjaśnia na przykład wiatry i bryzy występujące na brzegach mórz. W letnie dni ląd nagrzewa się słońcem szybciej niż woda, dlatego powietrze nad lądem nagrzewa się bardziej niż nad wodą, zmniejsza się jego gęstość, a ciśnienie staje się mniejsze niż ciśnienie chłodniejszego powietrza nad morzem. W efekcie, podobnie jak w naczyniach połączonych, zimne powietrze przemieszcza się z morza na wybrzeże - wieje wiatr. To jest bryza w ciągu dnia. W nocy woda ochładza się wolniej niż ląd, a powietrze nad lądem staje się zimniejsze niż nad wodą. Powstaje bryza nocna - ruch zimnego powietrza z lądu na morze.

Trakcja. Wiemy, że spalanie paliwa jest niemożliwe bez świeżego powietrza. Jeśli powietrze nie dostanie się do paleniska, pieca, rury samowara, paliwo przestanie się palić. Zwykle wykorzystują naturalny przepływ powietrza - przeciąg. Aby stworzyć trakcję nad piecem, na przykład w kotłowniach fabryk, zakładów, elektrowni, instalowana jest rura. Kiedy paliwo się pali, powietrze w nim się nagrzewa. Oznacza to, że ciśnienie powietrza w palenisku i rurze staje się mniejsze niż ciśnienie powietrza zewnętrznego. Ze względu na różnicę ciśnień zimne powietrze dostaje się do paleniska, a ciepłe powietrze unosi się do góry - powstaje przeciąg.

Im wyżej zabudowany komin nad paleniskiem, tym większa różnica ciśnień między powietrzem zewnętrznym a powietrzem w kominie. Dlatego siła ciągu wzrasta wraz ze wzrostem wysokości rury.

Ogrzewanie i chłodzenie pomieszczeń mieszkalnych. Mieszkańcy krajów położonych w umiarkowanych i zimnych strefach Ziemi zmuszeni są do ogrzewania swoich domów. W krajach położonych w strefach tropikalnych i subtropikalnych temperatura powietrza nawet w styczniu dochodzi do +20 i +30 o C. Stosowane są tu urządzenia chłodzące powietrze w pomieszczeniach. Zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie powietrza wewnętrznego oparte są na konwekcji.

Wskazane jest umieszczenie urządzeń chłodzących u góry, bliżej sufitu, aby zachodziła naturalna konwekcja. W końcu zimne powietrze ma większą gęstość niż ciepłe powietrze i dlatego opadnie.

Urządzenia grzewcze znajdują się na dole. Wiele nowoczesnych dużych domów jest wyposażonych w ogrzewanie ciepłej wody. Cyrkulacja w nim wody i ogrzewanie powietrza w pomieszczeniu następuje dzięki konwekcji.

Jeżeli znajduje się w nim instalacja do ogrzewania budynku, to w piwnicy instalowany jest kocioł, w którym podgrzewana jest woda. Ciepła woda unosi się pionową rurą z kotła do zbiornika, który zwykle znajduje się na strychu domu. Ze zbiornika wyprowadzony jest system rur rozprowadzających, którymi woda przechodzi do grzejników zainstalowanych na wszystkich piętrach, oddaje im swoje ciepło i wraca do kotła, gdzie jest ponownie podgrzewana. To jest naturalna cyrkulacja wody - konwekcja.

Ruch oscylacyjny + §25, 26, ćwiczenie 23.

Wahania są bardzo powszechnym rodzajem ruchu. Prawdopodobnie przynajmniej raz w życiu widziałeś ruchy oscylacyjne kołyszącego się wahadła zegara lub gałęzi drzew na wietrze. Są szanse, że przynajmniej raz pociągnąłeś za struny swojej gitary i zobaczyłeś, jak wibrują. Oczywiście, nawet jeśli nie widziałeś na własne oczy, możesz przynajmniej wyobrazić sobie, jak porusza się igła w maszynie do szycia lub tłok w silniku.

We wszystkich tych przypadkach mamy jakiś rodzaj ciała, które okresowo wykonuje powtarzające się ruchy. To właśnie te ruchy nazywane są w fizyce oscylacjami lub ruchami oscylacyjnymi. Oscylacje pojawiają się w naszym życiu bardzo, bardzo często.

Dźwięk- są to wahania gęstości i ciśnienia powietrza, fale radiowe- okresowe zmiany natężenia pól elektrycznych i magnetycznych, widzialne światło- także oscylacje elektromagnetyczne, tylko o nieco innej długości fali i częstotliwości.
Trzęsienia ziemi- drgania gleby, odpływ i przypływ- zmiana poziomu mórz i oceanów spowodowana przyciąganiem księżyca i osiąganie w niektórych miejscach 18 metrów, bicie serca- okresowe skurcze mięśnia sercowego człowieka itp.
Zmiana czuwania i snu, pracy i odpoczynku, zimy i lata... Nawet nasze codzienne chodzenie do pracy i powrót do domu podpada pod definicję fluktuacji, które interpretuje się jako procesy, które powtarzają się dokładnie lub w przybliżeniu w regularnych odstępach czasu.

Oscylacje są mechaniczne, elektromagnetyczne, chemiczne, termodynamiczne i różne inne. Mimo takiej różnorodności, wszystkie mają ze sobą wiele wspólnego i dlatego są opisane tymi samymi równaniami.

Główną ogólną cechą okresowo powtarzających się ruchów jest to, że ruchy te powtarzają się w regularnych odstępach czasu, nazywanych okresem oscylacji.

Podsumujmy:wibracje mechaniczne - są to ruchy ciała, które powtarzają się dokładnie lub w przybliżeniu w regularnych odstępach czasu.

Specjalna gałąź fizyki - teoria oscylacji - zajmuje się badaniem praw tych zjawisk. Niezbędne jest ich poznanie dla stoczniowców i budowniczych samolotów, specjalistów przemysłu i transportu, twórców sprzętu radiotechnicznego i akustycznego.

W procesie wywoływania wibracji ciało nieustannie dąży do stanu równowagi. Drgania powstają w wyniku tego, że ktoś lub coś wyrzuciło to ciało z pozycji równowagi, dając tym samym ciału energię, która determinuje jego dalsze oscylacje.

Wibracje, które pojawiają się tylko dzięki tej oryginalnej energii, nazywane są wibracjami swobodnymi. Oznacza to, że nie potrzebują stałej pomocy z zewnątrz, aby utrzymać ruch oscylacyjny.

Większość fluktuacji rzeczywistości występuje przy stopniowym tłumieniu spowodowanym siłami tarcia, oporem powietrza i tak dalej. Dlatego takie oscylacje są często nazywane oscylacjami swobodnymi, których stopniowe tłumienie można pominąć w okresie obserwacji.

W tym przypadku wszystkie ciała połączone i bezpośrednio uczestniczące w wibracjach są zbiorczo nazywane układem oscylacyjnym. Ogólnie rzecz biorąc, zwykle mówi się, że system oscylacyjny to system, w którym mogą istnieć oscylacje.

W szczególności, jeśli swobodnie zawieszone ciało wibruje na nitce, to samo ciało, zawieszenie, wejdzie w układ oscylacyjny, do którego przyczepione jest zawieszenie i Ziemia z jego przyciąganiem, co wprawia ciało w drgania, stale je oddając do stanu spoczynku.

Takie ciało to wahadło. W fizyce rozróżnia się kilka rodzajów wahadeł: nić, sprężyna i kilka innych. Wszystkie systemy, w których korpus oscylacyjny lub jego zawieszenie można konwencjonalnie przedstawić jako gwint, są systemami gwintowanymi. Jeśli ta kula zostanie przesunięta z pozycji równowagi i wypuszczona, wtedy rozpocznie się wahać się, to znaczy wykonywać powtarzalne ruchy, okresowo przechodząc przez pozycję równowagi.

Otóż wahadła sprężynowe, jak można się domyślić, składają się z korpusu i pewnej sprężyny, która może wibrować pod wpływem siły sprężystości sprężyny.

Głównym modelem obserwacji oscylacji jest tzw. wahadło matematyczne. Wahadło matematyczne zwany korpusem o niewielkich rozmiarach (w stosunku do długości nici), zawieszony na cienkiej nierozciągliwej nici, której masa jest znikoma w stosunku do masy ciało. Mówiąc najprościej, w naszym rozumowaniu w ogóle nie bierzemy pod uwagę nici wahadła.

Jakie właściwości powinny mieć ciała, abyśmy mogli śmiało powiedzieć, że tworzą układ oscylacyjny, i mogli go opisać teoretycznie i matematycznie.

Cóż, pomyśl sam, jak powstaje ruch oscylacyjny dla wahadła nitkowego.