XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Колебания – один из самых распространенных процессов. Колебательными процессами (колебаниями) называются движения или изменения состояния, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени. Как известно, колеблются высотные здания и высоковольтные провода под действием ветра, автомобиль на рессорах во время движения, уровень реки в течение года и температура человеческого тела при болезни. В зависимости от физической природы и механизма возбуждения колебаний различают: Механические колебания (колебания балок, частей машин и механизмов, качка кораблей, волнение моря, колебания давления при распространении звука в газе, жидкости, твердом теле и т.д.); Электромагнитные колебания (переменный ток, колебания тока, заряда, векторов E и В в колебательных контурах и т.д.); Электромеханические колебания (колебания мембран телефонов, диффузоров электродинамических громкоговорителей и т.д.) [5].

Колебания широко распространены в природе и технике. Во многих случаях они играют отрицательную роль. Колебания моста, возникающие из-за толчков, сообщаемых ему колесами поезда при прохождении через стыки рельсов, колебания (вибрации) корпуса корабля, вызванные вращением гребного винта, вибрации крыльев самолета — все эти процессы могут привести к катастрофе. В подобных случаях задача состоит в том, чтобы предотвратить возникновение колебаний или, во всяком случае, воспрепятствовать тому, чтобы колебания достигли опасных размеров.

Вместе с тем колебательные процессы лежат в самой основе различных областей техники. Так, например, на колебательных процессах основана вся радиотехника [1].

Примеры колебательного движения: 1) Качели - продолжают колебаться в обратном направлении и с силой, зависящей от силы, действующей на человека, сидящего на качелях.

Толкающая сила прикладывается к человеку, сидящему над качелями, чтобы он начал колебаться. 2) Маятник - представляет собой массу, подобную грузу, подвешенному к проволоке, а другой конец проволоки закреплен в одной точке. Изменение кинетической и потенциальной энергии прикрепленной к нему массы постоянно наблюдается, поскольку маятник колеблется при изменении угла подвески. 3) Колыбель Ньютона - состоит из шариков одинаковой массы, подвешенных на проволоке одинаковой длины. Эта колыбель является пример упругого столкновения потому что кинетическая энергия одного боба в углу будет передана второму бобу, преобразуя ее в потенциальную энергию и возвращая ее обратно в кинетическую энергию последнему бобу в ряду, и процесс продолжается. 4) Настенные часы с маятником - механические настенные часы поставляются с маятником или кварцевым генератором, который работает как мультивибратор и колеблется каждую секунду. 5) Камертон - когда вы бьете по нему молотком, вибрации устанавливаются, поскольку два зубца камертона продолжают колебаться. Вибрации штырей создают звук, который проходит через молекулы окружающего воздуха. 6) Полёт птиц - взмахи крыльев птиц, парящих в небе, тоже своего рода колебательное движение. Птицы ритмично взмахивают крыльями. 7) Объект, висящий на пружине - объект, подвешенный на пружине, будет колебаться вверх-вниз или вперед-назад в зависимости от вершин пружины. Объект, прикрепленный к пружине одним концом, будет колебаться, если к объекту или пружине будет приложена тянущая или толкающая сила. 8) Старые весы - старые весы колеблются, когда вес, приложенный к обеим чашам, почти одинаков. 9) Струны на гитаре - когда гитарист играет, струна вибрирует, создавая колебательное движение струны, образуя петлю волн [2].

Идея о колебательной общности кажущихся непохожими на первый взгляд явлений самой различной природы (механических, электромагнитных, химических, биологических и т.д.) в наше время представляется естественной не только искушенным исследователям, но даже вчерашним школьникам. Действительно, в ответ на вопрос, что такое гармонический осциллятор, многие из них приведут в качестве примера и маятник, и электрический контур, составленный из емкости и индуктивности одновременно. Тем не менее и сегодня колебательные явления и эффекты, наблюдаемые в не столь тривиальных ситуациях, зачастую не всегда легко связать с основными элементарными процессами. Особенно это относится к волновым задачам. Поэтому имеется насущная потребность в учебном курсе, в котором современная теория колебаний и волн предстала бы перед читателем своими явлениями и эффектами, обнаруживаемыми в самых различных приложениях, по допускающими единое описание и понимание. Подчеркнем, что, хотя формально единство колебательных и волновых процессов совершенно различной природы основывается на сходстве математических моделей, оно не исчерпывается им. Ничуть не менее важным является межведомственная система понятий, моделей и приближений, позволяющая ориентироваться в чрезвычайном разнообразии колебательных и волновых процессов, которые встречаются в природе и технике [6].

Место колебательных процессов в науке и технике

Большинство наблюдаемых в природе и технике процессов являются колебательными. Исследование полета и плавания животных, создание летающих и плавающих аппаратов с колеблющимися рабочими органами, изучение неординарных вихрей имеет уже более чем столетнюю историю. Несмотря на огромное число публикаций, эта область остается малоизученной. Остаются, по-прежнему, слабо изученными механика полет и плавания животных, физика торнадо и вихревой трубки, динамика и энергетика спиральных и других вихревых структур [4].

Специальный раздел физики - теория колебаний - занимается изучением закономерностей этих явлений. Знать их необходимо судо- и самолетостроителям, специалистам промышленности и транспорта, создателям радиотехнической и акустической аппаратуры. Первыми учеными, изучавшими колебания, были Галилео Галилей (1564...1642) и Христиан Гюйгенс (1629...1692). Галилей установил изохронизм (независимость периода от амплитуды) малых колебаний, наблюдая за раскачиванием люстры в соборе и отмеряя время по ударам пульса на руке. Гюйгенс изобрел первые часы с маятником (1657) и во втором издании своей монографии «Маятниковые часы» (1673) исследовал ряд проблем, связанных с движением маятника, в частности нашел центр качания физического маятника.

Большой вклад в изучение колебаний внесли многие ученые: английские - У. Томсон (лорд Кельвин) и Дж. Рэлей, русские - А.С. Попов и П.Н. Лебедев, советские - А.Н. Крылов, Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, Н.Н. Боголюбов, А.А. Андронов и другие.

Использование вибрации при литье

Для получения чугунного литья высокого качества иногда бывает целесообразно применять вибрирование расплавленного чугуна с целью удаления вредных газов и шлака. Ковш с расплавленным чугуном помещают на специальную виброплатформу, приводимую в колебательное движение с помощью вибраторов.

Вибрация ковша, а следовательно, и находящегося в нем жидкого чугуна способствует выделению имеющихся в чугуне газов, а также всплытию более легких веществ, представляющих собой шлаковые включения, которые затем могут быть удалены с поверхности ковша. Отлитые детали из очищенного таким образом чугуна получаются более высокого качества, как с точки зрения меньшего ослабления пузырями, так и с точки зрения уменьшения шлаковых включений, которые ухудшают качество чугунного литья.

Использование колебаний для сортировки сыпучих материалов

В ряде отраслей техники находят широкое применение сортировочные машины и устройства, основанные на использовании колебательных движений. Таковы молотилки, веялки и другие сельскохозяйственные машины, применяемые для сортировки зерна. Сита веялок и молотилок, на которые попадает зерно, подлежащее сортировке, совершают вынужденные боковые или продольные колебания, обеспечивающие возвратно-поступательное движение зерна по рабочей поверхности сита и вследствие этого сортировку зерна. Эти колебания, как правило, вызываются действием кривошипно-шатунных механизмов.

Аналогичное использование колебательных процессов распространено в угольной промышленности на обогатительных фабриках, где применяются специальные машины-грохоты, основное назначение которых заключается в обезвоживании каменных углей, в подготовительном грохочении, т.е. в разделении угля на классы перед обогащением, в сортировке для получения товарных сортов и др. Подобный механизм можно использовать даже в сказках, например: «Золушка», когда мачеха заставила ее перебирать горох и пшено. Вот тут-то и мог помочь такой механизм [3]

Таким образом, мы рассмотрели виды и примеры колебательных процессов в технике и узнали, что колебательные процессы исследованы далеко не полностью.

Список литературы

1. [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/3208202/ (дата обращения: 29.12.2022).

2. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.lambdageeks.com/oscillatory-motion-examples/ (дата обращения: 29.12.2022)

3. [Электронный ресурс]. URL: https://studbooks.net/2183466/matematika_himiya_fizika/ispolzovanie_kolebaniy_tehnike(дата обращения: 29.12.2022)

4. [Электронный ресурс]. URL: https://poisk-ru.ru/s39227t17.html (дата обращения: 29.12.2022)

5. [Электронный ресурс]. URL: https://inzhpro.ru/referat/kolebaniya-v-tehnike/ (дата обращения: 29.12.2022)

6. [Электронный ресурс]. URL: https://mash-xxl.info/info/750683/ (дата обращения: 29.12.2022)

Код для цитирования: Скопировать