Vocea omului este cel mai important proces auto-oscilant. Se bazează pe mișcarea unui flux constant de aer din plămâni, modulat de vibrațiile corzilor vocale. Cel mai bun grație a sopranului colorat din opera de la capitala și vuietul brut al taurului din punctul de vedere al fizicii formării sunetului sunt complet identice.
"" Când zeii râd, feriți-vă! " Îl înfruntă pe bătrân, cu avertisment. A desenat un cerc pe nisip cu degetul și, în timp ce el a tras-o, nisipul a țipat și a strigat; apoi bătrânul a îngenuncheat, nisipul a rotit și a suflat.
Există nisipuri cântând și chiar un munte nisipos cântând în întregime lângă râul Ili din Kazahstan. Aproape 300 de metri în sus, muntele Kalkan - un corp natural uriaș. Diferiți oameni o numesc "cântând barkhan", "cântând muntele". Este alcătuită din nisip de tonuri ușoare și pe fondul pintenilor întunecați ai Dzhungar Alatau, Kalkansul Mare și Mică reprezintă o vedere extraordinară datorită contrastului de culoare. Cu vântul și chiar când persoana coboară din ea, muntele face sunete melodice. După ploaie și în timpul calmului, muntele tăcește. Turiștii preferă să viziteze Cântarea Barkhan și, ridicându-se pe una din cele trei vârfuri, admiră panorama deschisă a Ili și creasta lui Zailiysky Alatau. Dacă muntele este tăcut, vizitatorii nerăbdători "o fac să cântă". Pentru a face acest lucru, trebuie să rulați rapid panta muntelui, urmele de nisip vor alerga de sub picioarele voastre, iar un buzz va ieși din intestinul barkhanului.
Au trecut multe secole de la descoperirea nisipurilor cântând și nu a fost oferită o explicație satisfăcătoare pentru acest fenomen izbitoare. În ultimii ani, acusticienii englezi au preluat funcția, precum și omul de știință sovietic V.I. Arabadji. Arabadzhi a sugerat că stratul superior de nisip emis de sunet se mișcă cu o perturbare constantă de-a lungul unui strat inferior, mai rigid, care are un profil de suprafață ondulat. Datorită forțelor de frecare, atunci când se deplasează straturile împreună, sunetul este excitat.
Forțele oscilante sunt oscilații neconfirmate. Pierderile inevitabile de energie la frecare în oscilațiile forțate sunt compensate de alimentarea cu energie a unei surse externe de forță care acționează periodic. Există sisteme în care oscilațiile neschimbate nu apar din influențele externe periodice, ci ca urmare a abilității unor astfel de sisteme de a reglementa alimentarea cu energie dintr-o sursă constantă. Astfel de sisteme se numesc auto-oscilante, iar procesul de oscilații neîntrerupte în astfel de sisteme este auto-oscilații. Schematic, sistemul cu autocalculare poate fi reprezentat ca o sursă de energie, un oscilator cu amortizare și un dispozitiv de reacție între sistemul oscilant și sursa (figura 7.10).
Ca sistem oscilator, orice sistem mecanic capabil să facă propriile oscilații amortizate (de exemplu, un pendul al unui ceas de perete) poate fi utilizat. Sursa de energie poate servi ca un arc deformat sau încărcare în câmpul gravitațional. Dispozitivul de feedback este un mecanism prin care sistemul auto-oscilant reglează alimentarea cu energie a sursei.
Un exemplu de sistem mecanic auto-oscilator este mecanismul cu un curs de ancorare (Figura 7.11). În ceasul cu ancorarea, roata cu dinți oblici este fixată rigid pe tamburul dințat, prin care este aruncat lanțul cu greutăți. La capătul superior al pendulului este ancorată o ancoră cu două plăci de material solid, curbată de-a lungul unui arc cu cerc centrat pe axa pendulului. În ceasul de mână, greutatea se înlocuiește cu un arc, iar pendulul cu un bolț de echilibru fixat cu un arc spiralat. Balancerul face oscilații torsiune în jurul axei sale. Sistemul oscilant din ceas este un pendul sau un balancer, sursa de energie este o greutate ridicată sau un arc de rană. Dispozitivul, prin care este furnizat feedback-ul, este o ancoră care permite roții să transforme un dinte într-un semicerc. Feedbackul este furnizat de interacțiunea ancorei cu roata de deplasare. Cu fiecare oscilație a pendulului, vârful roții de deplasare împinge furca ancorei în direcția mișcării pendulului, transferându-i o anumită cantitate de energie care compensează energia pierdută de frecare. Astfel, energia potențială a unei greutăți (sau a unui arc răsucite) este treptat, în porțiuni separate, transferată în pendul.
În viața de zi cu zi, am putea, fără măcar să observe, ne întâlnim cu auto-oscilație frecvent decât cu fluctuații cauzate de forțe periodice. Auto-oscilațiile sunt tot în jurul nostru în natură și tehnologie: motoare cu aburi, motoare cu combustie internă, sonerii electrice, ceasuri, de sondare de coarde de vioară sau orgă, inima bate, corzile vocale atunci când vorbește sau cântând - toate acestea fac din sistemul de auto-oscilație.
Mișcarea oscilantă este de obicei studiată prin luarea în considerare a comportamentului unui anumit pendul: primăvară, matematică sau fizică. Toate sunt corpuri solide. Puteți crea un dispozitiv care să demonstreze vibrațiile corpurilor lichide sau gazoase. Pentru a face acest lucru, utilizați ideea încorporată în proiectarea ceasului de apă. Două sticle de plastic de jumătate de litru sunt conectate în același mod ca și în ceasul cu apă, securizând capacele. Cavitățile sticlelor sunt legate printr-un tub de sticlă cu lungimea de 15 cm, cu un diametru interior de 4-5 milimetri. Pereții laterali ai sticlelor trebuie să fie netede și nu rigide, este ușor să se răstoarne la stoarcere (a se vedea figura 7.13).
Pentru a porni vibrațiile, o sticlă de apă este așezată în partea superioară. Apa din acesta începe să curgă imediat prin tub în sticla de jos. După aproximativ o secundă, jetul se oprește în mod spontan în curgere și dă canalul în tub pentru a contrapreda porțiunea de aer din sticla de fund spre vârf. Ordinea de trecere a contractelor de apă și de aer prin tubul de conectare este determinată de diferența de presiune în sticlele superioare și inferioare și este ajustată automat.
Fluctuațiile de presiune din sistem sunt indicate de comportamentul pereților laterali ai sticlei de vârf, care sunt periodic stoarși și expandați în timp, odată cu eliberarea apei și cu admisia de aer. Din moment ce
Cum se propagă oscilația? Mediul este necesar pentru transmiterea vibrațiilor sau poate fi transmis fără ea? Cum ajunge sunetul de la furculiță la ascultător? Cum funcționează curentul de schimbare rapidă în antena emițătorului radio care face ca curentul să apară în antena receptorului? Cum ajunge lumina stelelor îndepărtate în ochiul nostru? Pentru a lua în considerare astfel de fenomene, este necesar să introducem un nou concept fizic - un val. Procesele cu valuri reprezintă o clasă comună de fenomene, în ciuda naturii lor diferite.
Sursele de valuri, fie că sunt valuri ale mării, valuri într-un șir, valuri de cutremure sau valuri sonore în aer, sunt oscilații. Procesul de propagare a oscilațiilor în spațiu se numește val. De exemplu, în cazul sunetului, mișcarea oscilantă este făcută nu numai de sursa sunetului (șir, furculiță de reglare), ci și de tamburul sonor receptor-ureche sau de membrană pentru microfon. Mediul prin care se propagă valurile variază de asemenea.
Procesul de undă este cauzat de prezența conexiunilor dintre părțile individuale ale sistemului, în funcție de care avem un val elastic de una sau alta natură. Procesul care are loc în orice parte a spațiului provoacă schimbări în punctele vecine ale sistemului, dându-le o anumită cantitate de energie. Din aceste puncte, perturbația trece la adiacentă la ele și așa mai departe, răspândind de la un punct la altul, adică creând un val.
Forțele elastice care acționează între elementele corpului solid, lichid sau gazos, conduc la apariția undelor elastice. Un exemplu de valuri elastice este un val propagat de-a lungul unui cordon. Dacă mișcarea mâinii în sus și în jos excită oscilația capătului cordonului, secțiunile adiacente ale cablului, datorate acțiunii forțelor de cuplare elastice, se vor mișca și o undă se va propaga de-a lungul cordonului. Proprietatea comună a valurilor este că se pot propaga pe distanțe lungi, iar particulele mediului oscilează numai într-o regiune limitată de spațiu. Particulele mediului în care se propagă valul nu sunt implicate în mișcarea înainte a valului, ci oscilează doar în apropierea pozițiilor lor de echilibru. În funcție de direcția oscilațiilor particulelor mediului, undele longitudinale și transversale se disting în raport cu direcția de propagare a undelor. Într-un val longitudinal, particulele mediului oscilează de-a lungul direcției de propagare a undei; în transversal - perpendicular pe direcția propagării undelor. Undele elastice transversale pot apărea numai într-un mediu cu rezistență la forfecare. Prin urmare, numai valurile longitudinale pot apărea în medii lichide și gazoase. Într-un mediu solid, pot apărea atât valuri longitudinale cât și transversale.
În Fig. 8.1 prezintă mișcarea particulelor în propagarea undei de forfecare în mediu și amplasarea particulelor într-un val în cele patru puncte fixe în timp. Numerele 1, 2, etc. denota particule care sunt separate una de alta prin distanța parcursă de unda un sfert de perioadă de oscilații efectuate de particule. La momentul zero al inmultire val primit de-a lungul axei de la stânga la dreapta, 1. a ajuns la particule prin care particulele au început să treacă de la o poziție de echilibru în sus, trăgând următoarea particulă. După un sfert din perioadă, particula 1 atinge poziția sa superioară; începe simultan trecerea de la poziția particulelor de echilibru 2. După un ciclu sfert suplimentar poziția primul bit de echilibru va fi în mișcare într-o direcție descendentă, a doua particula ajunge în poziția de capăt superioară, și o a treia particulă începe să treacă în sus din poziția de echilibru. La un moment egal cu. prima particulă completează o plină desfășurare și va fi în aceeași stare de mișcare, la fel ca în momentul inițial. Valul va ajunge la particula 5 în acel moment.
În Fig. 8.2 prezintă mișcarea particulelor atunci când se propagă într-un mediu de undă longitudinală. Toate argumentele privind comportamentul particulelor într-un val transversal pot fi atribuite acestui caz, cu deplasări în sus și în jos prin deplasarea spre dreapta și spre stânga. Din fig. 8.2 că atunci când se propagă valul longitudinal în mediu, se creează alternante condensări și rarefaceri ale particulelor, care se deplasează în direcția propagării undelor cu viteză.
Organismele care acționează asupra mediului, provocând vibrații, se numesc surse de undă. Propagarea undelor elastice nu este legată de transportul materiei, dar undele poartă energie, sursa de oscilații care asigură procesul de undă.
Locul geometric al punctelor la care perturbațiile ajung la momentul dat în timp se numește frontul undei. Adică partea din față a valului este suprafața care separă o parte a spațiului deja implicat în procesul valurilor de zona în care perturbațiile nu au atins încă.
Locul geometric al punctelor oscilante în aceleași faze se numește suprafața undei. Suprafața undei poate fi trasă prin orice punct din spațiul acoperit de procesul de undă. Suprafețele cu valuri pot avea orice formă. În cele mai simple cazuri, ele au forma unui plan sau a unei sfere. În consecință, valul în aceste cazuri este numit plat sau sferic. Într-un val plan, suprafețele undei sunt un set de planuri paralele unul cu celălalt; într-un val sferic există un set de sfere concentrice.
Distanța la care se propagă valul într-un timp egal cu perioada de oscilație a particulelor mediului se numește lungimea de undă. Este evident că. unde este viteza de propagare a valului.
În Fig. 8.3, realizat cu ajutorul graficii computerizate, este dat modelul propagării unui val transversal pe apă dintr-o sursă punctuală. Fiecare particulă efectuează oscilații armonice în jurul poziției de echilibru.
Fig. 8.3. Propagarea unei valuri transversale de la o sursă de punct de oscilații
Trimiteți-le prietenilor: