Drgania

Drganie obciążnika na sprężynie

Drgania (oscylacje) – procesy, w trakcie których pewne wielkości fizyczne na przemian rosną i maleją w czasie[1]. Zmiany te są okresowe lub prawie okresowe i przechodzą przez stan równowagi[2].

Przykłady drgań

Szczególnymi rodzajami drgań rozpatrywanymi w fizyce są:

Powyższe rodzaje drgań można opisać identycznymi równaniami matematycznymi.

Klasyfikacja drgań

Drgania klasyfikuje się niezależnie od rodzaju drgającego układu a ale na podstawie matematycznych własności funkcji opisujących drgania, albo na podstawie równań określających te funkcje[1]:

  1. Ze względu możliwość określenia przebiegu funkcji na podstawie jej wartości w pewnym momencie:
    • deterministyczne,
    • niedeterministyczne.
  2. Ze względu na cykliczność:
    • okresowe,
      • harmoniczne
    • nieokresowe,
      • prawie okresowe
  3. Ze względu na działanie sił zewnętrznych na układ drgający:
    • autonomiczne zwane swobodnymi,
    • nieatonomiczne,
      • wymuszone,
      • sprzężone,
      • parametryczne
  4. Ze względu na to czy równania je opisujące są liniowe:
  5. Ze względu na występowanie tłumienia:
    • nietłumione (zachowawcze),
    • tłumione.
  6. Najmniejszą liczbę niezależnych funkcji umożliwiających opisanie procesu, zwaną liczbą stopni swobody:
    • o jednym stopniu swobody,
    • o wielu stopniach swobody,
    • o nieskończonej liczbie stopni swobody

Opis niektórych rodzajów drgań

Drgania okresowe

Drgania okresowe – powtarzają się w równych odstępach czasu.

Szczególnym przypadkiem jest ruch harmoniczny, powstający pod wpływem siły działającej przeciwnie do wychylenia ciała od położenia równowagi, o wartości proporcjonalnej do wychylenia. Wykres zależności położenia od czasu jest dla takiego ruchu sinusoidą. Ruch anharmoniczny zachodzi dla większych amplitud drgań układu, gdy siła przestaje być proporcjonalna do wychylenia, np. w drganiach wahadła matematycznego, czy drgań molekuł gazu o wysokiej temperaturze.

Drgania nieokresowe – powtarzają się w nierównych odstępach czasu. Szczególnym przypadkiem drgań są tu drgania prawie okresowe.

Drgania swobodne

Drgania swobodne – występują, gdy na układ nie działa żadna zmienna siła zewnętrzna, która wpływa na proces drgań. Stała siła o niewielkiej wartości lub działająca w układzie liniowym nie wpływa na drgania ciała, jedynie przesuwa położenie równowagi. Układ taki jest zachowawczy, tzn. energia drgań nie zmienia się.

Drgania nieautonomiczne

Drgania nieautonomiczne – występują, gdy na układ działa siła zewnętrzna mająca wpływ na drgania.

Drgania wymuszone – powstają pod wpływem siły zewnętrznej, okresowo zmiennej. Mogą prowadzić do wielkiego wzrostu amplitudy drgań, a nawet do zniszczenia układu, gdy częstotliwość siły wymuszającej jest bliska lub równa częstotliwości drgań własnych układu – powstaje tzw. rezonans drgań.

Drgania tłumione

Drgania nieswobodne, tłumione – powstają np. pod wpływem sił tarcia (np. gdy siła jest proporcjonalna do prędkości ciała i przeciwnie skierowana) – wtedy energia drgań zmniejsza się, zamieniając się w energię cieplną; tłumienie drgań układu powstaje też, gdy oddziałuje on na inny układ, oddając mu część lub całość swojej energii, np. w zjawisku rezonansu. Np. W medycynie zjawisko rezonansu magnetycznego, polegające na wzbudzaniu stanów magnetycznych jąder atomowych za pomocą fali elektromagnetycznej stosuje się w ramach jednej z technik tomograficznych, zwanej obrazowaniem rezonansu magnetycznego.

Drgania samowzbudne

Drgania samowzbudne powstają, gdy energia drgań rośnie lub jest podtrzymywana na stałym poziomie kosztem energii, dostarczanej do układu, pomimo występowania tłumienia.

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ a b praca zbiorowa: Encyklopedia Fizyki. T. I. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1974, s. 381.
  2. ↑ drgania, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2022-02-18].

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie