Svārstības jeb oscilācijas ir kustības, kuras precīzi vai aptuveni atkārtojas pēc noteiktiem laika intervāliem. Ja kustība atkārtojas precīzi, tad tādu kustību sauc par periodisku kustību. Dabā visbiežāk svārstības ar laiku pavājinās (norimst).

Atspere ar atsvaru bez berzes- piemērs harmoniskām svārstībām.

Mehāniskās svārstības labot šo sadaļu

Mehāniskās svārstības ir kustība, kad ķermenis periodiski novirzās gan uz vienu, gan uz otru pusi. Ir divu pamatveidu mehāniskās svārstības: brīvās svārstības un uzspiestās svārstības. Kā atsevišķu gadījumu izdala harmoniskās svārstības, kas var būt kā brīvas, tā arī uzspiestas. Tāpat pēc tā, vai svārstošais ķermenis atrodas virzes vai griezes kustībā, var izšķirt virzes un griezes svārstības.[1]

Harmoniskās svārstības labot šo sadaļu

Harmoniskas svārstības notiek, kad rezultējošais spēks ir proporcionāls novirzei no līdzsvara stāvokļa- šādas sistēmas mēdz saukt par lineāru harmonisku oscilatoru. Ja  , tad to sauc par anharmonisku oscilatoru. Harmonisku svārstību nosacījums izpildās, piemēram, Huka likumā:  , kur   ir novirze no līdzsvara un   ir atsperes stinguma koeficients.

Harmonisko svārstību gadījumā atvirzes vienādojums no līdzsvara stāvokļa izskatīsies šādi:  [2]. Harmoniskām svārstībām periods būs vienāds ar   (analoģija ceļš dalīts uz ātrumu, bet priekš leņķiem).

Izvedums labot šo sadaļu

 
Harmoniskām svārstībām novirzes funkcija pēc laika ir sinusoīda (kosinusoīda), tādēļ   minējumā tas arī atspoguļojas. Raustītā līnija atbilst atsvara miera stāvoklim, bet sarkanās bultiņas norāda ātrumu

Var uzrakstīt Huka likumu kā diferenciālvienādojumu:

 , jeb  . Tā kā otrais atvasinājums   atbilst  , iespējams minēt, ka atrisinājums izskatīsies formā  , kur   ir amplitūda,   ir cikliskā frekvence un   ir sākuma novirze.

Minējumu var pārbaudīt, to atvasinot divas reizes un ievietojot izteiksmes Huka likumā. Minējumam:

 , tagad šo un   var ievietot Huka likumā:

 , jeb

 , kas ir patiess, ja  , tātad minējums der.[3] Jāpiebilst, ka var izvēlēties gan  , gan   funkcijas priekš svārstībām, bet šī izvēle ietekmēs sākuma novirzi  .

Citi lielumi harmoniskām svārstībām labot šo sadaļu

 
Atspere pirms svārstībām tiek deformēta, tai iedota potenciālā enerģija  , kura harmonisku svārstību laikā pārvēršas par kinētisko enerģiju   un atpakaļ- pilnās mehāniskās enerģijas summa ir konstanta  .

Momentāno ātrumu aprēķina pēc formulas:  . (Iegūstams atvasinot novirzi  ). Trajektorijas punktus, kuros   un  , sauc par pagrieziena punktiem. Vislielākais ātrums ir līdzsvara punktos.

Momentāno paātrinājumu iegūst pēc formulas:  . (Iegūstams atvasinot ātrumu  ). Līdzsvara punktos  . Vislielākā vērtība paātrinājumam ir pagrieziena punktos.

Ķermenim svārstoties, tam piemīt kinētiskā   un potenciālā enerģija  , pie kam harmoniskas svārstības ir noslēgta sistēma, kura saņem enerģiju no ārienes tikai sākummomentā pēc tam tā enerģiju no ārienes nesaņem un neatdod to citiem ķermeņiem, tādēļ pilnā mehāniskā enerģija ir konstanta  .

Zinot ķermeņa momentāno ātrumu  , ķermeņa kinētisko enerģiju   var aprēķināt pēc  . (Iegūstams ievietojot   izteiksmē). Pagrieziena punktos  , bet līdzsvara punktā   ir vislielākā.

Potenciālā enerģija ir atkarīga no atgriezējspēka. Atsperes svārstam atgriezējspēks ir  , izmantojot sakarību atgriezējspēkam un potenciālajai enerģijai   un integrējot iegūst  . Ievietojot  iegūst  . Līdzsvara punktā  , bet vislielākā pagrieziena punktos.

Matemātiskais svārsts labot šo sadaļu

 
Matemātiskais svārsts: diega sastiepuma spēks daļēji kompensē smaguma spēku  , tā radītā komponente   paātrina masu līdzsvara virzienā.

Matemātiskais svārsts ir idealizēts svārsts, kuru veido neizstiepjamā bezmasas diegā iekārts materiāls punkts. Šāda svārsta gadījumā

 , kur g — brīvās krišanas paātrinājums; l — diega garums; s — loka garums. Svārstību periods   šādam svārstam:

  pie maziem sākuma atvirzes leņķiem.

Ja leņķis ir liels, tad nepieciešams izmantot formulu, kura ņem vērā sākuma leņķi  

Fizikālais svārsts labot šo sadaļu

Neidealizētu svārstu sauc par fizisko svārstu, tas ir jebkurš ķermenis, kas nostiprināts iekarē un var svārstīties. Matemātiskā svārsta periods ir atkarīgs tikai no svārsta garuma, bet fiziskā svārsta periodu ietekmē ķermeņa inerces moments attiecībā pret rotācijas asi (ķermeņa masas izvietojums). Ja svārstību amplitūda ir neliela, šāda svārsta periods

 ,

kur   ir inerces moments,   ir masa,   ir masas centra attālums līdz rotācijas asij. Matemātiskais svārsts ir speciāls gadījums fizikālajam svārstam- inerces moments materiālam punktam ir  , to ievietojot perioda formulā:  , kur   ir attālums starp rotācijas punktu un masas punktu (diega garums).

 
Brīvas rimstošas svārstības

Rimstošas svārstības labot šo sadaļu

 
Rimstošu svārstību koordinātas x atkarība no laika t

Rimstošas svārstības ir svārstības ar berzi. Berzes (pretestības) spēka   dēļ svārstību amplitūda pakāpeniski samazinās. Parasti uzskata, ka berzes spēks ir proporcionāls ātrumam ( ), tad svārstību amplitūda samazinās eksponenciāli un svārstību formula ir

 , kur   ir rimšanas koeficients. Rimšanas koeficientam tiecoties uz nulli,   tiecas uz   (svārstības tiecas būt harmoniskas).

Izvedums labot šo sadaļu

 
Rimstošas svārstības ar dažādiem berzes koeficientiem  . Vidējais zīmējums atbilst kritiski slāpētām svārstībām, kad  , tad svārstības visātrāk apstājas.

Atsperei kustības vienādojumu var pierakstīt šādi:  , kur   ir, piemēram, gaisa pretestība. To var uzrakstīt kā diferenciālvienādojumu  . Tā kā pie maziem rimšanas koeficientiem   svārstības izskatās pēc eksponenciāli dilstoša kosinusoīda, iespējams minēt atrisinājumu kā  . Ievietojot to diferenciālvienādojumā, minējums apstiprinās, ja

  un  . Pēc šīm formulām var novērot, ka, ja berzes koeficients ir  , tad kvadrātsakne ir negatīva, parādās imagināri skaitļi izteiksmē un svārstības nenotiek, tā vietā ķermenis lēnām nonāk līdzsvara stāvoklī. Ja notiek robežgadījums  , tas atbilst kritiski slāpētām svārstībām, svārstības arī nenotiek un ķemenis visātrāk nonāk līdzsvara stāvoklī.[3]

Citi lielumi rimstošām svārstībām labot šo sadaļu

Laiku, kurā svārstību amplitūda samazinās e (naturāllogaritma bāze) reizes, sauc par oscilatora laika konstanti  . No svārstību sākšanās momenta   līdz momentam   rimstošo svārstību sistēma izdara   pilnas svārstības. Skaitli   sauc par oscilatora labumu, kurš skaitliski vienāds ar oscilatorā uzkrātās pilnās enerģijas attiecību pret enerģiju, ko tas zaudē viena svārstību perioda laikā, tādējādi   raksturo svārstību sistēmas spēju saglabāt tajā uzkrāto enerģiju.

Ik pēc perioda svārstību amplitūda samazinās   reizes, naturālo logaritmu no šī skaitļa sauc par logaritmisko dekrementu  .[4]

Divu savstarpēji perpendikulāru harmonisku svārstību saskaitīšana labot šo sadaļu

 
Piemērs Lisažū figūrām- tumši pelēkais zobrats veic 3 periodus, kamēr pelēkais veic 2. Ja tumši pelēkais nosaka   koordināti un pelēkais nosaka  , tad, sekojot līdzi kādam punktam uz zobrata, veidojas Lisažū figūra.

Ja ķermenis vienlaicīgi harmoniski svārstās plaknē x un y asu virzienos un tā līdzsvara punkts ir koordinātu sistēmas sākumpunkts, ķermeņa

koordinātas mainās pēc

 ,  .

Saskaitot abus materiālā punkta pārvietojumus, iegūst rezultējošo ķermeņa kustību pa trajektoriju xy plaknē. Trajektorijas izskatu ietekmē abu svārstību amplitūdu un periodu (frekvenču) attiecības un kustības sākumfāžu starpība. Šīs trajektorijas sauc par Lisažū figūrām.

Ja   un

  •  , tad rezultējošā kustība ir harmoniskas svārstības pa taisnes nogriezni, kurš orientēts leņķī   pret x asi,  ;
  • sākumfāzes atšķiras par  , tad trajektorija ir elipse, kuras lielā pusass novietota horizontāli, ja  , elipse kļūst par riņķa līniju;
  • sākumfāžu starpība atšķiras no 0,  ,  ,  , tad trajektorija ir elipse, kuras lielā pusass ir slīpa pret x asi.

Ja  , tad rezultējošā kustība nav periodiska un punkts atgriežas sākumstāvoklī tikai tad, ja abi periodi attiecas kā veseli skaitļi (1:2, 2:3 utt.), tad Lisažū figūras ir noslēgtas un komplicētas līknes.[4]

Uzspiestās svārstības labot šo sadaļu

 
Piemērs uzspestām svārstībām- periodisks šūpoļu grūdiens.

Uzspiestās svārstības ir svārstības, ko ķermeņi veic ārējo spēku iedarbībā (tie var būt periodiski mainīgi). Šīs svārstības nenorimst, kamēr darbojas ārējais spēks, piemēram, šūpoļu iešūpināšana ar periodiskiem grūdieniem.

Uzspiesto svārstību amplitūda atkarīga no tā, kā kāda ir uzspiedējspēka frekvence   salīdzinājumā ar brīva bezberzes oscilatora pašsvārstību frekvenci  . Svārstību amplitūdu nosaka komplicētas likumsakarības, tačū, ja oscilatora berze ir maza ( ), uzspiesto svārstību amplitūda savu vislielāko vērtību sasniedz tad, kad  . Tā ir amplitūdas rezonanse — stacionārs svārstību režīms, kad uzspiedējspēka darbu katrā periodā kompensē berzes izraisītie zudumi.[4]

Svārstību veidi labot šo sadaļu

Svārstības var iedalīt, izmantojot dažādas pazīmes.

 
Daži svārstību veidi pēc novirzes maiņas rakstura: sinusoidālas, kvadrāta, trijstūra, zāģveida svārstības

Pēc fizikālās dabas izšķir šādas svārstības:

Pēc novirzes maiņas rakstura (pēc svārstību grafika formas) var tikt izšķirtas gadījuma, rimstošas, augošas, pēc amplitūdas modulētas, pēc frekvences modulētas un citas svārstības.

Skatīt arī labot šo sadaļu

Atsauces labot šo sadaļu

  1. A. Valters, A. Apinis, M. Ogriņš, A. Danebergs, Dz. Lūsis, A. Okmanis, J. Čudars. Fizika. Zvaigzne, 1992. 380. lpp. ISBN 5-405-00110-4.
  2. «RTU Mehāniskās svārstības». Skatīts: 17.01.2024.
  3. 3,0 3,1 Douglas C. Giancoli. Physics for scientists & engineers with Modern Physics Third Edition, 2000. 364.,365., 375. lpp.
  4. 4,0 4,1 4,2 V. Fļorovs, I. Kolangs, P. Puķītis, E. Šilters, E. Vainovskis. Fizikas rokasgrāmata. Zvaigzne, 1985. 248. — 258. lpp.