Величины, характеризующие колебательное движение

Когда мы слышим звон колокольчика, наблюдаем покачивание маятника часов или смотрим на поплавок на воде, мы имеем дело с колебательными процессами. Такие движения повторяются снова и снова — через равные промежутки времени — и поэтому называются периодическими.

Колебательные явления лежат в основе огромного количества процессов: от работы музыкальных инструментов до функционирования мобильной связи и электроники. Чтобы описывать колебания количественно, в физике введён набор специальных величин, которые позволяют сравнивать разные системы, рассчитывать их поведение и прогнозировать изменения.

В этой теме мы разберём, что такое амплитуда, период, частота и фаза колебаний; узнаем, что значит «синфазные» и «противофазные» колебания; а также поймём, как эти параметры воплощаются в реальных физических системах, например, в маятниках.

Эти знания станут фундаментом для следующих разделов — механических и электромагнитных волн, звука, а также колебательных электрических цепей.

Амплитуда

Амплитуда — это максимальное отклонение точки, тела или системы от положения равновесия.

Если говорить проще, амплитуда показывает «размах» колебаний.
Например:

• для маятника — это максимальный угол отклонения;

• для пружины — максимальное удлинение или сжатие;

• для звуковой волны — максимальное изменение давления воздуха.

Амплитуда зависит от энергии, сообщённой системе: чем сильнее толкнули маятник, тем больше амплитуда.

Период колебаний

Период колебаний — это время, за которое система совершает одно полное колебание и возвращается в исходное состояние движения.

Обозначается: T
Единица: секунда (с).

Пример: если маятнику нужно 2 секунды на полный цикл «туда–обратно», его период равен 2 секунды.

Частота колебаний

Частота — это количество полных колебаний за одну секунду.

Обозначается: ν (ню)
Единица: Герц (Гц).

Частота и период связаны простой формулой:

​

Чем чаще происходят колебания, тем выше частота. Например, звуки высокой частоты человек слышит как более высокие по тону.

Фаза колебаний

Фаза показывает, на какой стадии цикла находится колеблющаяся система в данный момент времени.

Можно сказать, что фаза — это «положение» колебания внутри повторяющегося цикла. Она позволяет сравнивать несколько процессов между собой.

Маятники колеблются синфазно и в противофазе

Синфазные колебания

Маятники совершают колебания синфазно, если в каждый момент времени их скорость, положение и направление движения совпадают.

Например, два одинаковых маятника, запущенных одновременно одинаковым способом.

Колебания в противофазе

Маятники совершают колебания в противофазе, если один находится в крайнем правом положении, когда другой — в крайнем левом.

Разница фаз при этом составляет π (180°).

Значение изучения колебательных величин

Понимание этих параметров позволяет:

• измерять характеристики волн и звука,

• рассчитывать колебательные системы,

• создавать устойчивые осцилляторы в технике,

• объяснять явления, связанные с вибрациями и резонансом.

Без этих величин невозможно математически описать ни музыку, ни радиосвязь, ни работу часового механизма.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют амплитудой колебаний? Приведи пример из реальной жизни.

2. Как определяется период колебаний?

3. Чем частота отличается от периода?

4. Почему маятники могут колебаться синфазно?

5. Что означает выражение «колебания в противофазе»?

6. Что такое фаза колебаний, зачем эта величина нужна?

7. Как изменение амплитуды влияет на энергию колебательной системы?

8. Приведи пример двух систем, которые совершают колебания с одинаковой частотой, но разными амплитудами.