Гармонійні коливання і графік коливального процесу

Щоб відповісти на питання, які коливання називаються гармонійними, слід мати на увазі, що дані фізичні явища - одні їх найпоширеніших у природі. Мабуть, важко вказати сферу, де б не були присутні гармонійні коливання. Найбільш поширеними областями фізичної теорії, в яких досліджуються коливальні процеси, виступають механіка, електротехніка і електроніка, радіолокація і гідроакустика та інші.

Об'єднані всі без винятку ці області тим, що природа коливальних процесів, як правило, однакова, а тому і для їх опису є загальна класична теорія. Параметричні відмінності коливальних процесів обумовлені тільки середовищем їхнього протікання і зовнішніми факторами, які можуть впливати на коливальні рухи. Найпростішим прикладом коливальних рухів, з якими ми повсякденно стикаємося в побуті, є наприклад, коливання маятника годин, або ж електричний струм.

Коливання за природою свого протікання бувають вільні і гармонійні. Вільні коливання ще називають власними, цим підкреслюється, що вони в якості свого джерела мають зовнішні обурення середовища, які і виводять фізичне тіло з статичної рівноваги. Прикладом може служити грузик, який підвішений на нитці, і якому ми поштовхом задаємо якийсь коливальний процес.

Більш значне місце у фізичній теорії приділяється дослідженню такого явища, як гармонійні коливання. Вивчення їх природи якраз і формує ту теоретичну основу, на якій грунтується дослідження більш вузьких аспектів коливальних процесів, а саме - їх перебігу в різних середовищах - механіці, електриці, в хімічних перетвореннях і реакціях.

Щоб описати гармонійні коливання у фізиці використовуються такі основні параметри, як період і частота.

Виходячи з раніше сформульованого нами твердження про те, що є якась загальна універсальна модель протікання коливальних процесів, можна логічно прийти і до висновку про існування якихось універсальних величин, що характеризують ці коливання. Отже, згадувані параметри - період і частота, властиві всім видам коливань, незалежно від джерела їх породження і середовища їх перебігу.

Частота являє собою кількісну величину, що показує, скільки разів протягом деякого відрізка часу, фізичне тіло вчинила процес зміни свого статичного стану і повернулося в нього. Так, наприклад, можна порахувати, скільки разів, той же грузик скоїв коливань після того, як ми його штовхнули до моменту його повної зупинки.

Період у цьому процесі, буде показувати часовий відрізок, за який цей грузик відхилиться від початкового положення і повернеться у вихідне за одне коливання.

Досліджуючи гармонійні коливання, слід розуміти, що період і частота об'єктивним чином пов'язані загальною формулою, яка в кінцевому підсумку визначає і графік гармонічних коливань. Щоб більш предметно розібратися, що він собою являє, слід зазначити, що є й інші параметричні показники - амплітуда, фаза, циклічна частота. Їх використання дозволяє застосувати для опису коливальних процесів тригонометричні функції. Самі поширеною формулою для побудови графіка є наступна: s = A sin (omega-t + alpha-). Ця формула, звана ще рівнянням гармонічних коливань, дозволяє вибудувати і графік коливального процесу, який в найпростішому вигляді являє собою звичайну синусоїду. У наведеному прикладі формули, коефіцієнти omega- і alpha- показують, які саме перетворення необхідно виконати з синусоїдою, щоб відобразити конкретний коливальний процес.

При більш складних коливальних явищах, природно ускладнюється і їх графічне опис. Це ускладнення пов'язане з впливом двох основних чинників:

— природою процесу, тобто, тим, які саме коливання досліджуються - механічні, електромагнітні, циклічні або іние-

— середовищем, в рамках якої породжуються і здійснюються коливальні явища - повітря, вода чи інше.

Ці фактори, які суттєво впливають на всі параметри будь-якого коливального процесу.