« Механическое колебание и волны»

Муниципальное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение

«Средняя Общеобразовательная Школа № 18 имени Басана Бадьминовича Городовикова»

Реферат

по физике

Тема:

« Механическое колебание и волны»

Выполнил : ученица 10 класса

Точаева Алина

Проверил: учитель

Черкасова Надежда Немяшевна

Элиста 2019

План

• Определение и понятие колебательного движения

• Виды колебания

• Характеристика колебательного процесса

• Свободные и вынужденные колебания. Резонанс

• Гармонические колебания

• Механические волны

Колебательным движением называют движение или процессы, обладающие свойством повторяемости во времени. То есть, механические колебания- это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы интервалы времени. Например, раскачивание качелей, биение сердца, голосовые связки человека. Если промежутки времени одинаковые, то такие колебания называют периодическими.

Однако существует условие, при котором движение должно происходить в окрестностях определенной точки или группы точек. Колебания также называют вибрациями. 
К колебаниям принято относить периодическое движение объекта вокруг точки или центра. Это означает, что тело будет проходить через центральную точку через определенные промежутки времени. При таком типе движения тело перемещается вперед, а потом назад, относительно центральной точки. При этом оба вида движений повторяются через определенный период времени.

Различают следующие виды механических колебаний:

• свободные или собственные колебания - происходящие без переменного внешнего воздействия и поступления энергии извне;

• периодические колебания - при которых значения обобщенной координаты и ее производных циклически повторяются (если это условие не выполняется, то колебания апериодические);

• вынужденные колебания - вызываемые и поддерживаемые переменной во времени внешней силой;

• параметрические колебания - вызываемые изменением во времени динамических параметров системы ( жесткости, массы или момента инерции, демпфирования и др.);

• автоколебания - стационарные колебания возбуждаемые и поддерживаемые за счет энергии поступающей от источника неколебательного характера, в которой поступление энергии регулируется движением самой системы;

• другие виды колебаний.

Характеристики колебаний.

Период – время одного полного колебания. N t T = ( где N – количество колебаний, t – время наблюдения). T = [с]

Частота (собственная) – количество полных колебаний за единицу времени.;

Циклическая частота -

Смещение – отклонение тела от положения равновесия; x = [м]

Амплитуда – максимальное отклонение тела от положения равновесия, xm = [м]

Фаза колебаний — определяет смещение в любой момент времени, то есть определяет состояние колебательной системы.

Для характеристики механических колебаний используются физические величины, которые позволяют получить необходимые данные. Амплитуда колебания – наибольшее отклонение тела, которое качается от начального значения положения.

А что такое период? В нем колебания – это время, которое необходимо телу, чтобы повторить все свои движения, или другими словами, необходимое для совершения одного повторения движения.

Что подразумевают под частотой? Под ней понимают число, равное количеству колебаний, совершенных за одну единицу времени. Зачастую в домашних, школьных и университетских опытах за частоту принимают одну секунду.

Циклическая частота часто используется вместо понятия количества колебаний, произошедших за единицу времени, и подразумевает его подсчёт, необходимый на совершение одного такого цикла.

По характеру физических процессов в системе, которые вызывают колебательные движения, различают три основных вида колебаний:

• Свободные

• Вынужденные

• Автоколебания

Свободные колебания – это колебания, совершаемые в системе, выведенной из состояния равновесия и затем предоставленной самой себе. (Колебания, происходящие только за счёт первоначального запаса энергии.)

Затухающие (причина – сила трения)

В этих примерах колебания возникают либо за счет первоначальной потенциальной энергии (отклонение материальной точки от положения равновесия и движение без начальной скорости), либо за счет кинетической (телу сообщается скорость в начальном положении равновесия), либо за счет и той и другой энергии (сообщение скорости телу, отклоненному от положения равновесия)

Вынужденные колебания - колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Не затухающие (причина – периодически действующая внешняя сила)

Вынужденные колебания в отличие от свободных могут происходить с любой частотой. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой внешней силы, действующей на колебательную систему. Таким образом, частота вынужденных колебаний определяется не свойствами самой системы, а частотой внешнего воздействия.

Примерами вынужденных колебаний являются колебания детских качелей, колебания иглы в швейной машине, поршня в цилиндре автомобильного двигателя, рессор автомобиля, движущегося по неровной дороге и т.д.

Резонанс – это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебательной системы. Резонанс возникает из-за того, внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время имеет одинаковое направление со скоростью колеблющегося тела и совершает положительную работу: энергия колеблющегося тела увеличивается, и амплитуда его колебаний становится большой. Если же внешняя сила действует «не в такт», то эта силы попеременно совершает то отрицательную, то положительную работу и вследствие этого энергия системы меняется незначительно. С явлением резонанса мы часто встречаемся в повседневной жизни. Если в комнате задрожали стекла при прохождении по улице тяжелого грузовика, это значит, что собственная частота колебаний стекол равна частоте колебаний машины. Если морские волны попадают в резонанс с периодом корабля, то качка становится особенно сильной.

Гармоническими колебаниями называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса или косинуса

Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

Группу тел, движение которых изучают, называют в механике системой тел. Внутренние силы - это силы, действующие между телами системы.

Внешние силы - это силы, действующие на тела системы со стороны тел, не входящих в нее.

Самый простой вид колебаний - свободные колебания. Свободными колебаниями называются колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из положения равновесия и предоставлена затем самой себе.

Примеры свободных колебаний: колебания груза, прикрепленного к пружине, или груза, подвешенного на нити.

Механические волны

Если в каком-нибудь месте твердой, жидкой или газообразной среды возбуждены колебания частиц, то вследствие взаимодействия атомов и молекул среды колебания начинают передаваться от одной точки к другой с конечной скоростью. Процесс распространения колебаний в среде называется волной.

Механические волны бывают разных видов. Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне.

Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Волны в упругом стержне или звуковые волны в газе являются примерами таких волн.

Волны на поверхности жидкости имеют как поперечную, так и продольную компоненты.

Как в поперечных, так и в продольных волнах переноса вещества в направлении распространения волны не происходит. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой.

Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных). Существуют волны, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны). Для механических волн обязательно нужна среда, обладающая способностью запасать кинетическую и потенциальную энергию. Следовательно, среда должна обладать инертными и упругими свойствами. В реальных средах эти свойства распределены по всему объему. Так, например, любой малый элемент твердого тела обладает массой и упругостью. В простейшей одномерной модели твердое тело можно представить как совокупность шариков и пружинок.