Колебательный процесс

РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

ЛЕКЦИЯ 1 – Колебательный процесс

 

В окружающем нас мире мы постоянно встречаемся с колебательными движениями.

Колебательные движения (колебания) – это любые, повторяющиеся через некоторое время движения. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений. Иными словами, колебанием называется процесс, при котором какая-либо величина, характеризующая этот процесс, последовательно изменяется то в одну, то в другую сторону около своего среднего значения.

В зависимости от физической природы колебания могут быть механи­ческие, электромеханические, электромагнитные и др.

Механические колебания представляют собой распространяющиеся возмущения упругой среды. К ним относятся колебания маятника, поплавка на воде, изменения плотности и давления воздуха при прохождении звуковых волн и т. п.

К электромеханическим колебаниям, возникающим за счет преобразования электрических импульсов в механические, относятся колебания мембраны телефона, пьезоэлемента ультразвуковых преобразователей.

Электромагнитные колебания представляют собой распространяющиеся возмущения электромагнитного поля. К ним относятся колебания в электрических контурах, волноводах (радиоволны, свет, рентгеновские лучи).

Все колебательные движения, независимо от их природы, имеют общий признак: положение, к которому стремится колеблющееся тело в процессе колебаний. Это - положение устойчивого равновесия. В положении устойчивого равновесия тело может находиться долго, до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из равновесия. Для маятника, подвешенного на длинной нити,

Рисунок 1

положением равновесия яв­ляется самое нижнее положение (рисунок 1). Если маятник отклонить от его положения равновесия, а затем отпустить, то он будет совершать свободные колебания. Под действием силы тяжести маятник возвращается в свое первоначальное положение, по инерции проходит исходную точку и поднимается вверх, при этом сила тяжести будет тормозить его движение. В точке максимального отклонения маятник становится и через мгновение начнет движение в обратном направлении. Циклы колебаний маятника непрерывно повторяются.

Рассмотрим более подробно процесс колебания шарика, закрепленного на пружинах (рисунок 2). Предположим, что эксперимент проводится в кабине космической станции в усло­виях невесомости, т. е. на шарик и пружины не влияет сила тяжести.

 

Рисунок 2 – а) колебательная система, состоящая из пружин и шарика; б) колебания шарика, закрепленного на пружинах: О – положение равновесия; Б – положение отклоненного шарика вправо;F – восстанавливающая сила; В – положение отклоненного шарика влево.

 

При отсутствии внешних воздействий шарик находится в положении равновесия О, где упругие силы пружин уравновешивают друг друга. Если внешняя сила выводит шарик из по­ложения равновесия, т.е. смещает его вправо в положение Б, то шарик приобретает по­тенциальную энергию за счет упругих сил пружин (растянутой – слева и сжатой – справа). Упругие силы стремятся вернуть шарик в положение равновесия. Если теперь шарик отпус­тить, то он тут же начнет двигаться. Потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию движения шарика. В какой-то момент времени шарик достигнет положения равно­весия. При этом его потенциальная энергия станет равной нулю, так как натяжения пружин уравновешивают друг друга. Однако скорость его движения, а, следовательно, и кинетическая энергия максимальны. Поэтому, проходя через положение равновесия, шарик не останавливается, а по инерции про­должает движение дальше. Но теперь кинетическая энергия расходуется на преодоление со­противления растягиваемой правой и сжимаемой левой пружин. Тем не менее, движение про­должается, пока кинетическая энергия не станет равной нулю. Этому состоянию соответствует максимальное смещение влево в положение В.