Период как пишется в физике

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Физическая … Википедия

Физическая величина это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения. Размер физической величины количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе,… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон (значения). Фотон Символ: иногда … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Борн. Макс Борн Max Born … Википедия

Примеры разнообразных физических явлений Физика (от др. греч. φύσις … Википедия

Фотон Символ: иногда Излученные фотоны в когерентном луче лазера. Состав: Семья … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Масса (значения). Масса Размерность M Единицы измерения СИ кг … Википедия

CROCUS Ядерный реактор это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в … Википедия

Книги

• Гидравлика. Учебник и практикум для академического бакалавриата , Кудинов В.А.. В учебнике изложены основные физико-механические свойства жидкостей, вопросы гидростатики и гидродинамики, даны основы теории гидродинамического подобия и математического моделирования…
• Гидравлика 4-е изд., пер. и доп. Учебник и практикум для академического бакалавриата , Эдуард Михайлович Карташов. В учебнике изложены основные физико-механические свойства жидкостей, вопросы гидростатики и гидродинамики, даны основы теории гидродинамического подобия и математического моделирования…

ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ЕДИНИЦЫ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ГОСТ 8.417-81

(СТ СЭВ 1052-78)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москва

РАЗРАБОТАН
Государственным
комитетом СССР по стандартам ИСПОЛНИТЕЛИ
Ю.В. Тарбеев
,д-р
техн. наук; К.П. Широков
,д-р техн. наук; П.Н. Селиванов
,
канд. техн. наук; Н.А. Ерюхина
ВНЕСЕН
Государственным
комитетом СССР по стандартам Член Госстандарта
Л.К. Исаев
УТВЕРЖДЕН И
ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ
Постановлением Государственного комитета СССР по
стандартам от 19 марта 1981 г. № 1449

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Государственная система обеспечения единства измерений ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН State system for ensuring the uniformity of measurements. Units of physical quantities

ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78 )

Постановлением
Государственного комитета СССР по стандартам от 19 марта 1981 г. № 1449 срок
введения установлен

с 01.01 1982 г.

Настоящий
стандарт устанавливает единицы физических величин (далее — единицы),
применяемые в СССР, их наименования, обозначения и правила применения этих
единиц Стандарт не
распространяется на единицы, применяемые в научных исследованиях и при
публикациях их результатов, если в них не рассматривают и не используют
результаты измерений конкретных физических величин, а также на единицы величин,
оцениваемых по условным шкалам*. * Под условными шкалами понимаются, например, шкалы
твердости Роквелла и Виккерса, светочувствительности фотоматериалов. Стандарт
соответствует СТ СЭВ 1052-78 в части общих положений, единиц Международной
системы, единиц, не входящих в СИ, правил образования десятичных кратных и
дольных единиц, а также их наименований и обозначений, правил написания
обозначений единиц, правил образования когерентных производных единиц СИ (см.
справочное приложение 4).

1.1. Подлежат обязательному применению единицы Международной
системы единиц*, а также десятичные кратные и дольные от них (см. разд. 2 настоящего
стандарта). * Международная система единиц (международное сокращенное
наименование — SI , в русской транскрипции — СИ), принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам
и весам (ГКМВ) и уточнена на последующих ГКМВ. 1.2. Допускается применять наравне с единицами по п. 1.1 единицы, не входящие
в СИ, в соответствии с пп. 3.1 и 3.2 , их сочетания с единицами СИ, а также некоторые нашедшие
широкое применение на практике десятичные кратные и дольные от
вышеперечисленных единиц. 1.3. Временно
допускается применять наравне с единицами по п. 1.1 единицы, не входящие в СИ, в соответствии с п. 3.3, а также некоторые, получившие
распространение на практике кратные и дольные от них, сочетания этих единиц с
единицами СИ, десятичными кратными и дольными от них и с единицами по п. 3.1. 1.4. Во вновь
разрабатываемой или пересматриваемой документации, а также публикациях значения
величин должны выражаться в единицах СИ, десятичных кратных и дольных от них и
(или) в единицах, допускаемых к применению в соответствии с п. 1.2. Допускается
также в указанной документации применять единицы по п. 3.3, срок изъятия которых будет установлен в соответствии
с международными соглашениями. 1.5. Во вновь
утверждаемой нормативно-технической документации на средства измерений должна
предусматриваться их градуировка в единицах СИ, десятичных кратных и дольных от
них или в единицах, допускаемых к применению в соответствии с п. 1.2. 1.6. Вновь
разрабатываемая нормативно-техническая документация по методам и средствам
поверки должна предусматривать поверку средств измерений, проградуированных во
вновь вводимых единицах. 1.7. Единицы СИ,
установленные настоящим стандартом, и единицы, допускаемые к применению пп. 3.1 и 3.2, должны применяться в учебных процессах всех учебных
заведений, в учебниках и учебных пособиях. 1.8. Пересмотр
нормативно-технической, конструкторской, технологической и другой технической
документации, в которой применяются единицы, не предусмотренные настоящим
стандартом, а также приведение в соответствие с пп. 1.1 и 1.2
настоящего стандарта средств измерений, градуированных в единицах, подлежащих
изъятию, осуществляют в соответствии с п. 3.4
настоящего стандарта. 1.9. При
договорно-правовых отношениях по сотрудничеству с зарубежными странами, при
участии в деятельности международных организаций, а также в поставляемой за
границу вместе с экспортной продукцией (включая транспортную и потребительскую
тару) технической и другой документации, применяют международные обозначения
единиц. В документации на
экспортную продукцию, если эта документация не отправляется за границу,
допускается применять русские обозначения единиц. (Новая редакция,
Изм. № 1).
1.10. В нормативно-технической
конструкторской, технологической и другой технической документации на различные
виды изделий и продукции, используемые только в СССР, применяют предпочтительно
русские обозначения единиц. При этом независимо от того, какие обозначения
единиц использованы в документации на средства измерений при указании единиц
физических величин на табличках, шкалах и щитках этих средств измерений
применяют международные обозначения единиц. (Новая редакция,
Изм. № 2).
1.11. В печатных
изданиях допускается применять либо международные, либо русские обозначения
единиц. Одновременно применение обоих видов обозначений в одном и том же
издании не допускается, за исключением публикаций по единицам физических
величин.

2.1. Основные
единицы СИ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Величина
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение		Определение
			международное
Длина					Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 S [ XVII ГКМВ (1983 г.), Резолюция 1].
Масса		килограмм			Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма [ I ГКМВ (1889 г.) и III ГКМВ (1901 г)]
Время					Секунда есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 [ XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 1]
Сила электрического тока					Ампер есть сила равная силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 m один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия, равную 2 × 10 -7 N [МКМВ (1946 г.), Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ (1948 г.)]
Термодинамическая температура					Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [Х III ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4]
Количество вещества					Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 kg . При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц [ XIV ГКМВ (1971 г.), Резолюция 3]
Сила света					Кандела есть сила, равная силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 × 10 12 Hz , энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W / sr [ XVI ГКМВ (1979 г.), Резолюция 3]
Примечания: 1. Кроме температуры Кельвина (обозначение Т ) допускается применять также температуру Цельсия (обозначение t ), определяемую выражением t = T — Т 0 , где Т 0 = 273,15 К, по определению. Температура Кельвина выражается в Кельвинах, температура Цельсия — в градусах Цельсия (обозначение международное и русское °С). По размеру градус Цельсия равен кельвину. 2. Интервал или разность температур Кельвина выражают в кельвинах. Интервал или разность температур Цельсия допускается выражать как в кельвинах, так и в градусах Цельсия. 3. Обозначение Международной практической температуры в Международной практической температурной шкале 1968 г., если ее необходимо отличить от термодинамической температуры, образуется путем добавления к обозначению термодинамической, температуры индекса «68» (например, Т 68 или t 68). 4. Единство световых измерений обеспечивается в соответствии с ГОСТ 8.023-83.

(Измененная
редакция, Изм. № 2, 3).
2.2.
Дополнительные единицы СИ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование величины
	Наименование	Обозначение		Определение
		международное
Плоский угол				Радиан есть угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу
Телесный угол	стерадиан			Стерадиан есть телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы

(Измененная
редакция, Изм. № 3).
2.3. Производные
единицы СИ следует образовывать из основных и дополнительных единиц СИ по
правилам образования когерентных производных единиц (см. обязательное
приложение 1). Производные
единицы СИ, имеющие специальные наименования, также могут быть использованы для
образования других производных единиц СИ. Производные единицы, имеющие
специальные наименования, и примеры других производных единиц приведены в табл.
3 — 5. Примечание. Электрические и магнитные
единицы СИ следует образовывать в соответствии с рационализованной формой
уравнений электромагнитного поля.

Таблица 3

Примеры производных единиц СИ, наименования которых образованы из наименований
основных и дополнительных единиц

Величина
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
			международное
Площадь		квадратный метр
Объем, вместимость		кубический метр
Скорость		метр в секунду
Угловая скорость		радиан в секунду
Ускорение		метр на секунду в квадрате
Угловое ускорение		радиан на секунду в квадрате
Волновое число		метр в минус первой степени
Плотность		килограмм на кубический метр
Удельный объем		кубический метр на килограмм
		ампер на квадратный метр
		ампер на метр
Молярная концентрация		моль на кубический метр
Поток ионизирующих частиц		секунда в минус первой степени
Плотность потока частиц		секунда в минус первой степени — метр в минус второй степени
Яркость		кандела на квадратный метр

Таблица 4

Производные единицы
СИ, имеющие специальные наименования

Величина
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение		Выражение через основные и дополнительные, единицы СИ
			международное
Частота
Сила, вес
Давление, механическое напряжение, модуль упругости
Энергия, работа, количество теплоты					m 2 × kg × s -2
Мощность, поток энергии					m 2 × kg × s -3
Электрический заряд (количество электричества)
Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила					m 2 × kg × s -3 × A -1
Электрическая емкость	L -2 M -1 T 4 I 2				m -2 × kg -1 × s 4 × A 2
					m 2 × kg × s -3 × A -2
Электрическая проводимость	L -2 M -1 T 3 I 2				m -2 × kg -1 × s 3 × A 2
Поток магнитной индукции, магнитный поток					m 2 × kg × s -2 × A -1
Плотность магнитного потока, магнитная индукция					kg × s -2 × A -1
Индуктивность, взаимная индуктивность					m 2 × kg × s -2 × A -2
Световой поток
Освещенность					m -2 × cd × sr
Активность нуклида в радиоактивном источнике (активность радионуклида)		беккерель
Поглощенная доза излучения, керма, показатель поглощенной дозы (поглощенная доза ионизирующего излучения)
Эквивалентная доза излучения

(Измененная
редакция, Изм. № 3).

Таблица 5

Примеры производных
единиц СИ, наименования которых образованы с использованием специальных
наименований, приведенных в табл. 4

Величина
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение		Выражение через основные и дополнительные единицы СИ
			международное
Момент силы		ньютон-метр			m 2 × kg × s -2
Поверхностное натяжение		Ньютон на метр
Динамическая вязкость		паскаль-секунда			m -1 × kg × s -1
		кулон на кубический метр
Электрическое смещение		кулон на квадратный метр
		вольт на метр			m × kg × s -3 × A -1
Абсолютная диэлектрическая проницаемость	L -3 M -1 × T 4 I 2	фарад на метр			m -3 × kg -1 × s 4 × A 2
Абсолютная магнитная проницаемость		генри на метр			m × kg × s -2 × A -2
Удельная энергия		джоуль на килограмм
Теплоемкость системы, энтропия системы		джоуль на кельвин			m 2 × kg × s -2 × K -1
Удельная теплоемкость, удельная энтропия		джоуль на килограмм-кельвин		Дж/(кг × К)	m 2 × s -2 × K -1
Поверхностная плотность потока энергии		ватт на квадратный метр
Теплопроводность		ватт на метр-кельвнн			m × kg × s -3 × K -1
		джоуль на моль			m 2 × kg × s -2 × mol -1
Молярная энтропия, молярная теплоемкость	L 2 MT -2 q -1 N -1	джоуль на моль-кельвин		Дж/(моль × К)	m 2 × kg × s -2 × K -1 × mol -1
		ватт на стерадиан			m 2 × kg × s -3 × sr -1
Экспозиционная доза (рентгеновского и гамма-излучения)		кулон на килограмм
Мощность поглощенной дозы		грэй в секунду

3.1. Единицы, перечисленные в табл. 6 , допускаются к
применению без ограничения срока наравне с единицами СИ. 3.2. Без ограничения срока допускается применять относительные и
логарифмические единицы за исключением единицы непер (см. п. 3.3). 3.3. Единицы, приведенные в табл. 7 , временно
допускается применять до принятия по ним соответствующих международных решений. 3.4. Единицы, соотношения которых с единицами СИ даны в справочном
приложении 2 , изымаются из обращения в сроки, предусмотренные
программами мероприятий по переходу на единицы СИ, разработанными в
соответствии с РД 50-160-79 . 3.5. В
обоснованных случаях в отраслях народного хозяйства допускается применение
единиц, не предусмотренных настоящим стандартом, путем введения их в отраслевые
стандарты по согласованию с Госстандартом.

Таблица 6

Внесистемные единицы,
допускаемые к применению наравне с единицами СИ

Наименование величины					Примечание
	Наименование	Обозначение		Соотношение с единицей СИ
		международное
Масса
	атомная единица массы			1,66057 × 10 -27 × kg (приблизительно)
Время 1
				86400 s
Плоский угол				(p /180) rad = 1,745329… × 10 -2 × rad
				(p /10800) rad = 2,908882… × 10 -4 rad
				(p /648000) rad = 4,848137…10 -6 rad
Объем, вместимость
Длина	астрономическая единица			1,49598 × 10 11 m (приблизительно)
	световой год			9,4605 × 10 15 m (приблизительно)
				3,0857 × 10 16 m (приблизительно)
Оптическая сила	диоптрия
Площадь
Энергия	электрон-вольт			1,60219 × 10 -19 J (приблизительно)
Полная мощность	вольт-ампер
Реактивная мощность
Механическое напряжение	ньютон на квадратный миллиметр
1 Допускается также применять другие единицы, получившие широкое распространение, например неделя, месяц, год, век, тысячелетие и т.п. 2 Допускается применять наименование «гон» 3 Не рекомендуется применять при точных измерениях. При возможности смещения обозначения l с цифрой 1 допускается обозначение L . Примечание. Единицы времени (минуту, час, сутки), плоского угла (градус, минуту, секунду), астрономическую единицу, световой год, диоптрию и атомную единицу массы не допускается применять с приставками

(Измененная
редакция, Изм. № 3).

Таблица 7

Единицы, временно
допускаемые к применению

Наименование величины					Примечание
	Наименование	Обозначение		Соотношение с единицей СИ
		международное
Длина	морская миля			1852 m (точно)	В морской навигации
Ускорение					В гравиметрии
Масса				2 × 10 -4 kg (точно)	Для драгоценных камней и жемчуга
Линейная плотность				10 -6 kg / m (точно)	В текстильной промышленности
Скорость					В морской навигации
Частота вращения	оборот в секунду
	оборот в минуту			1/60 s -1 = 0,016(6) s -1
Давление
Натуральный логарифм безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную					1 Np = 0,8686…В = = 8,686… dB

(Измененная
редакция, Изм. № 3).

4.1. Десятичные кратные
и дольные единицы, а также их наименования и обозначения следует образовывать с
помощью множителей и приставок, приведенных в табл. 8.

Таблица 8

Множители и приставки для образования десятичных
кратных и дольных единиц и их наименований

Множитель	Приставка	Обозначение приставки		Множитель	Приставка	Обозначение приставки
		международное				международное

4.2.
Присоединение к наименованию единицы двух или более приставок подряд не
допускается. Например, вместо наименования единицы микромикрофарад следует
писать пикофарад. Примечания: 1 В связи с тем, что наименование
основной единицы — килограмм содержит приставку «кило», для образования кратных
и дольных единиц массы используется дольная единица грамм (0,001 kg , кг), и приставки надо
присоединять к слову «грамм», например, миллиграмм (mg , мг) вместо микрокилограмм (m kg , мккг). 2. Дольную единицу
массы — «грамм» допускается применять и без присоединения приставки. 4.3. Приставку
или ее обозначение следует писать слитно с наименованием единицы, к которой она
присоединяется, или соответственно, с ее обозначением. 4.4.
Если единица образована как произведение или отношение единиц, приставку
следует присоединять к наименованию первой единицы, входящей в произведение или
в отношение.
Допускается
применять приставку во втором множителе произведения или в знаменателе лишь в
обоснованных случаях, когда такие единицы широко распространены и переход к единицам,
образованным в соответствии с первой частью пункта, связан с большими
трудностями, например: тонна-километр (t × km ; т × км), ватт на
квадратный сантиметр (W / cm 2 ; Вт/см 2), вольт на
сантиметр (V / cm ; В/см), ампер на квадратный миллиметр (A / mm 2 ; А/мм 2). 4.5.
Наименования кратных и дольных единиц от единицы, возведенной в степень,
следует образовывать путем присоединения приставки к наименованию исходной
единицы, например, для образования наименований кратной или дольной единицы от
единицы площади — квадратного метра, представляющей собой вторую степень
единицы длины — метра, приставку следует присоединять к наименованию этой
последней единицы: квадратный километр, квадратный сантиметр и т.д. 4.6. Обозначения
кратных и дольных единиц от единицы, возведенной в степень, следует
образовывать добавлением соответствующего показателя степени к обозначению
кратной или дольной от этой единицы, причем показатель означает возведение в
степень кратной или дольной единицы (вместе с приставкой). Примеры: 1. 5 km 2 = 5(10 3
m) 2 = 5 × 10 6 m 2 . 2. 250 cm 3 /s = 250(10 -2 m) 3 /(1
s) = 250 × 10 -6
m 3 /s. 3. 0,002 cm -1 = 0,002(10 -2
m) -1 = 0,002 × 100 m -1 = 0,2 m -1 . 4.7.
Рекомендации по выбору десятичных кратных и дольных единиц приведены в справочном
приложении 3.

5.1. Для написания значений величин следует применять обозначения
единиц буквами или специальными знаками (…°,… ¢ ,… ¢ ¢), причем устанавливаются два вида буквенных обозначений:
международные (с использованием букв латинского или греческого алфавита) и
русские (с использованием букв русского алфавита). Устанавливаемые стандартом
обозначения единиц приведены в табл. 1 — 7 . Международные и
русские обозначения относительных и логарифмических единиц следующие: процент
(%), промилле (о / оо), миллионная доля (рр m , млн -1), бел (В, Б), децибел (dB , дБ), октава (-, окт), декада (-, дек), фон (phon , фон). 5.2. Буквенные
обозначения единиц должны печататься прямым шрифтом. В обозначениях единиц
точку как знак сокращения не ставят. 5.3. Обозначения
единиц следует применять после числовых: значений величин и помещать в строку с
ними (без переноса на следующую строку). Между
последней цифрой числа и обозначением единицы следует оставлять пробел, равный
минимальному расстоянию между словами, которое определено для каждого типа и
размера шрифта по ГОСТ
2.304-81.
Исключения составляют обозначения
в виде знака, поднятого над строкой (п. 5.1),
перед которыми пробела не оставляют.
(Измененная
редакция, Изм. № 3).
5.4.
При наличии десятичной дроби в числовом значении величины обозначение единицы следует
помещать после всех цифр.
5.5. При указании значений величин
с предельными отклонениями следует заключать числовые значения с предельными
отклонениями в скобки и обозначения единицы помешать после скобок или
проставлять обозначения единиц после числового значения величины и после ее
предельного отклонения.
5.6. Допускается
применять обозначения единиц в заголовках граф и в наименованиях строк
(боковиках) таблиц. Примеры:

Номинальный расход. m 3 / h	Верхний предел показаний, m 3		Цена деления крайнего правого ролика, m 3 , не более
100, 160, 250, 400, 600 и 1000
2500, 4000, 6000 и 10000
Тяговая мощность, kW
Габаритные размеры, mm:
длина
ширина
высота
Колея, mm
Просвет, mm

5.7. Допускается применять обозначения
единиц в пояснениях обозначений величин к формулам. Помещение обозначений
единиц в одной строке с формулами, выражающими зависимости между величинами или
между их числовыми значениями, представленными в буквенной форме, не
допускается.
5.8. Буквенные обозначения единиц,
входящих в произведение, следует отделять точками на средней линии, как знаками
умножения*.
* В машинописных текстах допускается точку не поднимать. Допускается
буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, отделять пробелами, если
это не приводит к недоразумению. 5.9.
В буквенных обозначениях отношений единиц в качестве знака деления должна
применяться только одна черта: косая или горизонтальная. Допускается применять
обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведенных в
степени (положительные и отрицательные)**.
** Если для одной из единиц, входящих в отношение,
установлено обозначение в виде отрицательной степени (например s -1 , m -1 , К -1 ; c -1 , м -1 , К -1),
применять косую или горизонтальную черту не допускается. 5.10.
При применении косой черты обозначения единиц в числителе и знаменателе следует
помещать в строку, произведение обозначений единиц в знаменателе следует
заключать в скобки.
5.11. При указании производной
единицы, состоящей из двух и более единиц, не допускается комбинировать
буквенные обозначения и наименования единиц, т.е. для одних единиц приводить обозначения,
а для других — наименования.
Примечание. Допускается применять сочетания
специальных знаков…°,… ¢ ,… ¢ ¢ , % и о / оо с буквенными обозначениями единиц,
например…°/ s и т. д.

Обязательное

Когерентные
производные единицы (далее — производные единицы) Международной системы, как правило,
образуют при помощи простейших уравнений связи между величинами (определяющих
уравнений), в которых числовые
коэффициенты равны 1. Для образования производных единиц величины в уравнениях
связи принимают равными единицам СИ. Пример. Единицу скорости образуют с помощью уравнения, определяющего
скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки

v
= s/t
,

Где v
— скорость; s
— длина пройденного пути; t
— время движения точки. Подстановка
вместо s
и t
их единиц СИ дает

[v
] = [s
]/[t
] = 1 m/s.

Следовательно,
единицей скорости СИ является метр в секунду. Он равен скорости прямолинейно и
равномерно движущейся точки, при которой эта точка за время 1 s перемещается на расстояние 1 m . Если уравнение
связи содержит числовой коэффициент, отличный от 1, то для образования
когерентной производной единицы СИ в правую часть подставляют величины со
значениями в единицах СИ, дающими после умножения на коэффициент общее числовое
значение, равное числу 1. Пример. Если для образования единицы энергии используют уравнение

Где Е
— кинетическая энергия; m — масса материальной точки; v
— скорость
движения точки, то когерентную
единицу энергии СИ образуют, например, следующим образом:

Следовательно,
единицей энергии СИ является джоуль (равный ньютон-метру). В приведенных
примерах он равен кинетической энергии тела массой 2 kg , движущегося со скоростью 1 m / s , или же тела массой 1 kg , движущегося со скоростью

Справочное

Наименование величины					Примечание
	Наименование	Обозначение		Соотношение с единицей СИ
		международное
Длина	ангстрем
	икс-единица			1,00206 × 10 -13 m (приблизительно)
Площадь
Масса
Телесный угол	квадратный градус			3,0462… × 10 -4 sr
Сила, вес
	килограмм-сила			9,80665 N (точно)
	килопонд
	грамм-сила			9,83665 × 10 -3 N (точно)
	тонна-сила			9806,65 N (точно)
Давление	килограмм-сила на квадратный сантиметр			98066,5 Ра (точно)
	килопонд на квадратный сантиметр
	миллиметр водяного столба		мм вод. ст.	9,80665 Ра (точно)
	миллиметр ртутного столба		мм рт. ст.
Напряжение (механическое)	килограмм-сила на квадратный миллиметр			9,80665 × 10 6 Ра (точно)
	килопонд на квадратный миллиметр			9,80665 × 10 6 Ра (точно)
Работа, энергия
Мощность	лошадиная сила
Динамическая вязкость
Кинематическая вязкость
	ом-квадратный миллиметр на метр		Ом × мм 2 /м
Магнитный поток	максвелл
Магнитная индукция
	гпльберт			(10/4 p) А = 0,795775…А
Напряженность магнитного поля				(10 3 / p) А/ m = 79,5775…А/ m
Количество теплоты, термодинамический потенциал (внутренняя энергия, энтальпия, изохорно-изотермический потенциал), теплота фазового превращения, теплота химической реакции	калория (межд.)			4,1858 J (точно)
	калория термохимическая			4,1840 J (приблизительно)
	калория 15-градусная			4,1855 J (приблизительно)
Поглощенная доза излучения
Эквивалентная доза излучения, показатель эквивалентной дозы
Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная доза гамма- и рентгеновского излучений)				2,58 × 10 -4 C / kg (точно)
Активность нуклида в радиоактивном источнике				3,700 × 10 10 Bq (точно)
Длина
Угол поворота				2 p rad = 6,28… rad
Магнитодвижущая сила, разность магнитных потенциалов	ампервиток
Яркость
Площадь

Измененная
редакция, Изм. № 3.

Справочное

1. Выбор десятичной кратной или дольной единицы от единицы СИ диктуется
прежде всего удобством ее применения. Из многообразия кратных и дольных единиц,
которые могут быть образованы при помощи приставок, выбирают единицу,
приводящую к числовым значениям величины, приемлемым на практике. В принципе
кратные и дольные единицы выбирают таким образом, чтобы числовые значения
величины находились в диапазоне от 0,1 до 1000. 1.1. В некоторых
случаях целесообразно применять одну и ту же кратную или дольную единицу, даже
если числовые значения выходят за пределы диапазона от 0,1 до 1000, например, в
таблицах числовых значений для одной величины или при сопоставлении этих
значений в одном тексте. 1.2. В некоторых
областях всегда используют одну и ту же кратную или дольную единицу. Например,
в чертежах, применяемых в машиностроении, линейные размеры всегда выражают в
миллиметрах. 2. В табл. 1 настоящего приложения приведены
рекомендуемые для применения кратные и дольные единицы от единиц СИ. Представленные в
табл. 1 кратные и дольные единицы от
единиц СИ для данной физической величины не следует считать исчерпывающими, так
как они могут не охватывать диапазоны физических величин в развивающихся и
вновь возникающих областях науки
и техники. Тем не менее, рекомендуемые кратные и дольные единицы от единиц СИ
способствуют единообразию представления значений физических величин,
относящихся к различным областям техники. В этой же таблице
помещены также получившие широкое распространение на практике кратные и дольные
единицы от единиц, применяемых наравне с единицами СИ. 3. Для величин,
не охваченных табл. 1, следует
использовать кратные и дольные единицы, выбранные в соответствии с п. 1 данного приложения. 4. Для снижения
вероятности ошибок при расчетах десятичные кратные и дольные единицы
рекомендуется подставлять только в конечный результат, а в процессе вычислений
все величины выражать в единицах СИ, заменяя приставки степенями числа 10. 5. В табл. 2 настоящего приложения приведены
получившие распространение единицы некоторых логарифмических величин.

Таблица 1

Наименование величины	Обозначения
	единиц СИ		единиц, не входящих и СИ	кратных и дольных от единиц, не входящих в СИ
Часть I . Пространство и время
Плоский угол	rad ; рад (радиан)	m rad ; мкрад	… ° (градус)… (минута)…» (секунда)
Телесный угол	sr ; cp (стерадиан)
Длина	m ; м (метр)		… ° (градус) … ¢ (минута) … ² (секунда)
Площадь
Объем, вместимость			l (L); л (литр)
Время	s ; с (секунда)		d ; сут (сутки) min ; мин (минута)
Скорость
Ускорение	m / s 2 ; м/с 2
Часть II . Периодические и связанные с ними явления
	Hz ; Гц (герц)
Частота вращения			min -1 ; мин -1
Часть III . Механика
Масса	kg ; кг (килограмм)		t ; т (тонна)
Линейная плотность	kg / m ; кг/м	mg / m ; мг/м или g / km ; г/км
Плотность	kg / m 3 ; кг/м 3	Mg / m 3 ; Мг/м 3 kg / dm 3 ; кг/дм 3 g / cm 3 ; г/см 3	t / m 3 ; т/м 3 или kg / l ; кг/л	g / ml ; г/мл
Количество движения	kg × m / s ; кг × м/с
Момент количества движения	kg × m 2 / s ; кг × м 2 /с
Момент инерции (динамический момент инерции)	kg × m 2 , кг × м 2
Сила, вес	N ; Н (ньютон)
Момент силы	N × m ; Н × м	MN × m ; МН × м kN × m ; кН × м mN × m ; мН × м m N × m ; мкН × м
Давление	Ра; Па (паскаль)	m Ра; мкПа
Напряжение
Динамическая вязкость	Ра × s ; Па × с	mPa × s ; мПа × с
Кинематическая вязкость	m 2 / s ; м 2 /с	mm 2 / s ; мм 2 /с
Поверхностное натяжение		mN / m ; мН/м
Энергия, работа	J ; Дж (джоуль)		(электрон-вольт)	GeV ; ГэВ MeV ; МэВ keV ; кэВ
Мощность	W ; Вт (ватт)
Часть IV . Теплота
Температура	К; К (кельвин)
Температурный коэффициент
Теплота, количество теплоты
Тепловой поток
Теплопроводность
Коэффициент теплопередачи	Вт/(м 2 × К)
Теплоемкость		kJ / K ; кДж/К
Удельная теплоемкость	Дж/(кг × К)	kJ /(kg × К); кДж/(кг × К)
Энтропия		kJ / K ; кДж/К
Удельная энтропия	Дж/(кг × К)	kJ /(kg × K); кДж/(кг × К)
Удельное количество теплоты	J / kg ; Дж/кг	MJ / kg ; МДж/кг kJ / kg ; кДж/кг
Удельная теплота фазового превращения	J / kg ; Дж/кг	MJ / kg ; МДж/кг kJ / kg ; кДж/кг
Часть V . Электричество и магнетизм
Электрический ток (сила электрического тока)	A; A (ампер)
Электрический заряд (количество электричества)	С; Кл (кулон)
Пространственная плотность электрического заряда	С/ m 3 ; Кл/м 3	C / mm 3 ; Кл/мм 3 МС/ m 3 ; МКл/м 3 С/с m 3 ; Кл/см 3 kC / m 3 ; кКл/м 3 m С/ m 3 ; мКл/м 3 m С/ m 3 ; мкКл/м 3
Поверхностная плотность электрического заряда	С/ m 2 , Кл/м 2	МС/ m 2 ; МКл/м 2 С/ mm 2 ; Кл/мм 2 С/с m 2 ; Кл/см 2 kC / m 2 ; кКл/м 2 m С/ m 2 ; мКл/м 2 m С/ m 2 ; мкКл/м 2
Напряженность электрического поля		MV / m ; МВ/м kV / m ; кВ/м V / mm ; В/мм V / cm ; В/см mV / m ; мВ/м m V / m ; мкВ/м
Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила	V , В (вольт)
Электрическое смещение	С/ m 2 ; Кл/м 2	С/с m 2 ; Кл/см 2 kC / cm 2 ; кКл/см 2 m С/ m 2 ; мКл/м 2 m С/ m 2 , мкКл/м 2
Поток электрического смещения
Электрическая емкость	F , Ф (фарад)
Абсолютная диэлектрическая проницаемость, электрическая постоянная		m F / m , мкФ/м nF / m , нФ/м pF / m , пФ/м
Поляризованность	С/ m 2 , Кл/м 2	С/с m 2 , Кл/см 2 kC / m 2 ; кКл/м 2 m С/ m 2 , мКл/м 2 m С/ m 2 ; мкКл/м 2
Электрический момент диполя	С × m , Кл × м
Плотность электрического тока	А/ m 2 , А/м 2	МА/ m 2 , МА/м 2 А/ mm 2 , А/мм 2 A /с m 2 , А/см 2 kA / m 2 , кА/м 2 ,
Линейная плотность электрического тока		kA / m ; кА/м А/ mm ; А/мм А/с m ; А/см
Напряженность магнитного поля		kA / m ; кА/м A / mm ; А/мм A / cm ; А/см
Магнитодвижущая сила, разность магнитных потенциалов
Магнитная индукция, плотность магнитного потока	Т; Тл (тесла)
Магнитный поток	Wb , Вб (вебер)
Магнитный векторный потенциал	Т × m ; Тл × м	kT × m ; кТл × м
Индуктивность, взаимная индуктивность	Н; Гн (генри)
Абсолютная магнитная проницаемость, магнитная постоянная		m Н/ m ; мкГн/м nH / m ; нГн/м
Магнитный момент	А × m 2 ; А м 2
Намагниченность		kA / m ; кА/м А/ mm ; А/мм
Магнитная поляризация
Электрическое сопротивление
Электрическая проводимость	S ; См (сименс)
Удельное электрическое сопротивление	W × m ; Ом × м	G W × m ; ГОм × м М W × m ; МОм × м k W × m ; кОм × м W × cm ; Ом × см m W × m ; мОм × м m W × m ; мкОм × м n W × m ; нОм × м
Удельная электрическая проводимость		MS / m ; МСм/м kS / m ; кСм/м
Магнитное сопротивление
Магнитная проводимость
Полное сопротивление
Модуль полного сопротивления
Реактивное сопротивление
Активное сопротивление
Полная проводимость
Модуль полной проводимости
Реактивная проводимость
Активная проводимость
Активная мощность
Реактивная мощность
Полная мощность			V × A , В × А
Часть VI . Свет и связанные с ним электромагнитные излучения
Длина волны
Волновое число
Энергия излучения
Поток излучения, мощность излучения
Энергетическая сила света (сила излучения)	W / sr ; Вт/ср
Энергетическая яркость (лучистость)	W /(sr × m 2); Вт/(ср × м 2)
Энергетическая освещенность (облученность)	W / m 2 ; Вт/м 2
Энергетическая светимость (нзлучательность)	W / m 2 ; Вт/м 2
Сила света
Световой поток	lm ; лм (люмен)
Световая энергия	lm × s ; лм × с		lm × h; лм × ч
Яркость	cd / m 2 ; кд/м 2
Светимость	lm / m 2 ; лм/м 2
Освещенность	l х; лк (люкс)
Световая экспозиция	lx × s ; лк × с
Световой эквивалент потока излучения	lm / W ; лм/Вт
Часть VII . Акустика
Период
Частота периодического процесса
Длина волны
Звуковое давление		m Ра; мкПа
Скорость колебания частицы		mm / s ; мм/с
Объемная скорость	m 3 / s ; м 3 /с
Скорость звука
Поток звуковой энергии, звуковая мощность
Интенсивность звука	W / m 2 ; Вт/м 2	mW / m 2 ; мВт/м 2 m W / m 2 ; мкВт/м 2 pW / m 2 ; пВт/м 2
Удельное акустическое сопротивление	Pa × s / m ; Па × с/м
Акустическое сопротивление	Pa × s / m 3 ; Па × с/м 3
Механическое сопротивление	N × s / m ; Н × с/м
Эквивалентная площадь поглощения поверхностью или предметом
Время реверберации
Часть VIII Физическая химия и молекулярная физика
Количество вещества	mol ; моль (моль)	kmol ; кмоль mmol ; ммоль m mol ; мкмоль
Молярная масса	kg / mol ; кг/моль	g / mol ; г/моль
Молярный объем	m 3 / moi ; м 3 /моль	dm 3 / mol ; дм 3 /моль cm 3 / mol ; см 3 /моль	l / mol ; л/моль
Молярная внутренняя энергия	J / mol ; Дж/моль	kJ / mol ; кДж/моль
Молярная энтальпия	J / mol ; Дж/моль	kJ / mol ; кДж/моль
Химический потенциал	J / mol ; Дж/моль	kJ / mol ; кДж/моль
Химическое сродство	J / mol ; Дж/моль	kJ / mol ; кДж/моль
Молярная теплоемкость	J /(mol × K); Дж/(моль × К)
Молярная энтропия	J /(mol × K); Дж/(моль × К)
Молярная концентрация	mol / m 3 ; моль/м 3	kmol / m 3 ; кмоль/м 3 mol / dm 3 ; моль/дм 3	mol /1; моль/л
Удельная адсорбция	mol / kg ; моль/кг	mmol / kg ; ммоль/кг
Температуропроводность	M 2 / s ; м 2 /с
Часть IX . Ионизирующие излучения
Поглощенная доза излучения, керма, показатель поглощенной дозы (поглощенная доза ионизирующего излучения)	Gy ; Гр (грэй)	m G у; мкГр
Активность нуклида в радиоактивном источнике (активность радионуклида)	Bq ; Бк (беккерель)

(Измененная редакция,
Изм. № 3).

Таблица 2

Наименование логарифмической величины	Обозначение единицы	Исходное значение величины
Уровень звукового давления
Уровень звуковой мощности
Уровень интенсивности звука
Разность уровней мощности
Усиление, ослабление
Коэффициент затухания

Справочное

1. Разделы 1 — 3
(пп. 3.1 и 3.2); 4, 5 и обязательное Приложение 1 к ГОСТ 8.417-81 соответствуют разделам 1 — 5
и приложению к СТ СЭВ 1052-78. 2. Справочное
приложение 3 к ГОСТ 8.417-81
соответствует информационному приложению к СТ СЭВ 1052-78.

Изучение физики в школе длится несколько лет. При этом ученики сталкиваются с проблемой, что одни и те же буквы обозначают совершенно разные величины. Чаще всего этот факт касается латинских букв. Как же тогда решать задачи?

Пугаться такого повтора не стоит. Ученые постарались ввести их в обозначение так, чтобы одинаковые буквы не встретились в одной формуле. Чаще всего ученики сталкиваются с латинской n. Она может быть строчной или прописной. Поэтому логично возникает вопрос о том, что такое n в физике, то есть в определенной встретившейся ученику формуле.

Что обозначает прописная буква N в физике?

Чаще всего в школьном курсе она встречается при изучении механики. Ведь там она может быть сразу в дух значениях — мощность и сила нормальной реакции опоры. Естественно, что эти понятия не пересекаются, ведь используются в разных разделах механики и измеряются в разных единицах. Поэтому всегда нужно точно определить, что такое n в физике.

Мощность — это скорость изменения энергии системы. Это скалярная величина, то есть просто число. Единицей ее измерения служит ватт (Вт).

Сила нормальной реакции опоры — сила, которая оказывает действие на тело со стороны опоры или подвеса. Кроме числового значения, она имеет направление, то есть это векторная величина. Причем она всегда перпендикулярна поверхности, на которую производится внешнее воздействие. Единицей измерения этой N является ньютон (Н).

Что такое N в физике, помимо уже указанных величин? Это может быть:

постоянная Авогадро;

увеличение оптического прибора;

концентрация вещества;

число Дебая;

полная мощность излучения.

Что может обозначать строчная буква n в физике?

Список наименований, которые могут за ней скрываться, достаточно обширен. Обозначение n в физике используется для таких понятий:

показатель преломления, причем он может быть абсолютным или относительным;

нейтрон — нейтральная элементарная частица с массой незначительно большей, чем у протона;

частота вращения (используется для замены греческой буквы «ню», так как она очень похожа на латинскую «вэ») — число повторения оборотов за единицу времени, измеряется в герцах (Гц).

Что означает n в физике, кроме уже указанных величин? Оказывается, за ней скрываются основное квантовое число (квантовая физика), концентрация и постоянная Лошмидта (молекулярная физика). Кстати, при вычислении концентрации вещества требуется знать величину, которая также записывается латинской «эн». О ней будет идти речь ниже.

Какая физическая величина может быть обозначена n и N?

Ее название происходит от латинского слова numerus, в переводе оно звучит как «число», «количество». Поэтому ответ на вопрос о том, что значит n в физике, достаточно прост. Это количество любых предметов, тел, частиц — всего, о чем идет речь в определенной задаче.

Причем «количество» — одна из немногих физических величин, которые не имеют единицы измерения. Это просто число, без наименования. Например, если в задаче идет речь о 10 частицах, то n будет равно просто 10. Но если получается так, что строчная «эн» уже занята, то использовать приходится прописную букву.

Формулы, в которых фигурирует прописная N

Первая из них определяет мощность, которая равна отношению работы ко времени:

В молекулярной физике имеется такое понятие, как химическое количество вещества. Обозначается греческой буквой «ню». Чтобы его сосчитать, следует разделить количество частиц на число Авогадро :

Кстати, последняя величина тоже обозначается столь популярной буквой N. Только у нее всегда присутствует нижний индекс — А.

Чтобы определить электрический заряд, потребуется формула:

Еще одна формула с N в физике —
частота колебаний. Чтобы ее сосчитать, нужно их число разделить на время:

Появляется буква «эн» в формуле для периода обращения:

Формулы, в которых встречается строчная n

В школьном курсе физики эта буква чаще всего ассоциируется с показателем преломления вещества. Поэтому важным оказывается знание формул с ее применением.

Так, для абсолютного показателя преломления формула записывается следующим образом:

Здесь с — скорость света в вакууме, v — его скорость в преломляющей среде.

Формула для относительного показателя преломления несколько сложнее:

n 21 = v 1: v 2 = n 2: n 1 ,

где n 1 и n 2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды, v 1 и v 2 — скорости световой волны в указанных веществах.

Как найти n в физике? В этом нам поможет формула, в которой требуется знать углы падения и преломления луча, то есть n 21 = sin α: sin γ.

Чему равно n в физике, если это показатель преломления?

Обычно в таблицах приводятся значения для абсолютных показателей преломления различных веществ. Не стоит забывать, что эта величина зависит не только от свойств среды, но и от длины волны. Табличные значения показателя преломления даются для оптического диапазона.

Итак, стало ясно, что такое n в физике. Чтобы не осталось каких-либо вопросов, стоит рассмотреть некоторые примеры.

Задача на мощность

№1.
Во время пахоты трактор тянет плуг равномерно. При этом он прилагает силу 10 кН. При таком движении в течение 10 минут он преодолевает 1,2 км. Требуется определить развиваемую им мощность.

Перевод единиц в СИ.
Начать можно с силы, 10 Н равны 10000 Н. Потом расстояние: 1,2 × 1000 = 1200 м. Осталось время — 10 × 60 = 600 с.

Выбор формул.
Как уже было сказано выше, N = А: t. Но в задаче нет значения для работы. Для ее вычисления пригодится еще одна формула: А = F × S. Окончательный вид формулы для мощности выглядит так: N = (F × S) : t.

Решение.
Вычислим сначала работу, а потом — мощность. Тогда в первом действии получится 10 000 × 1 200 = 12 000 000 Дж. Второе действие дает 12 000 000: 600 = 20 000 Вт.

Ответ.
Мощность трактора равна 20 000 Вт.

Задачи на показатель преломления

№2.
Абсолютный показатель преломления у стекла равен 1,5. Скорость распространения света в стекле меньше, чем в вакууме. Требуется определить, во сколько раз.

В СИ переводить данные не требуется.

При выборе формул остановиться нужно на этой: n = с: v.

Решение.
Из указанной формулы видно, что v = с: n. Это значит, что скорость распространения света в стекле равна скорости света в вакууме, деленному на показатель преломления. То есть она уменьшается в полтора раза.

Ответ.
Скорость распространения света в стекле меньше, чем в вакууме, в 1,5 раза.

№3.
Имеются две прозрачные среды. Скорость света в первой из них равна 225 000 км/с, во второй — на 25 000 км/с меньше. Луч света идет из первой среды во вторую. Угол падения α равен 30º. Вычислить значение угла преломления.

Нужно ли переводить в СИ? Скорости даны во внесистемных единицах. Однако при подстановке в формулы они сократятся. Поэтому переводить скорости в м/с не нужно.

Выбор формул, необходимых для решения задачи.
Потребуется использовать закон преломления света: n 21 = sin α: sin γ. А также: n = с: v.

Решение.
В первой формуле n 21 — это отношение двух показателей преломления рассматриваемых веществ, то есть n 2 и n 1 . Если записать вторую указанную формулу для предложенных сред, то получатся такие: n 1 = с: v 1 и n 2 =с: v 2 . Если составить отношение двух последних выражений, получится, что n 21 = v 1: v 2 . Подставив его в формулу закона преломления, можно вывести такое выражение для синуса угла преломления: sin γ = sin α × (v 2: v 1).

Подставляем в формулу значения указанных скоростей и синуса 30º (равен 0,5), получается, что синус угла преломления равен 0,44. По таблице Брадиса получается, что угол γ равен 26º.

Ответ.
Значение угла преломления — 26º.

Задачи на период обращения

№4.
Лопасти ветряной мельницы вращаются с периодом, равным 5 секундам. Вычислите число оборотов этих лопастей за 1 час.

Переводить в единицы СИ нужно только время 1 час. Оно будет равно 3 600 секундам.

Подбор формул
. Период вращения и число оборотов связаны формулой Т = t: N.

Решение.
Из указанной формулы число оборотов определяется отношением времени к периоду. Таким образом, N = 3600: 5 = 720.

Ответ.
Число оборотов лопастей мельницы равно 720.

№5.
Винт самолета вращается с частотой 25 Гц. Какое время потребуется винту, чтобы совершить 3 000 оборотов?

Все данные приведены с СИ, поэтому переводить ничего не нужно.

Необходимая формула
: частота ν = N: t. Из нее необходимо только вывести формулу для неизвестного времени. Оно является делителем, поэтому его полагается находить делением N на ν.

Решение.
В результате деления 3 000 на 25 получается число 120. Оно будет измеряться в секундах.

Ответ.
Винт самолета совершает 3000 оборотов за 120 с.

Подведем итоги

Когда ученику в задаче по физике встречается формула, содержащая n
или
N, ему нужно
разобраться с двумя моментами. Первый — из какого раздела физики приведено равенство. Это может быть ясно из заголовка в учебнике, справочнике или слов учителя. Потом следует определиться с тем, что скрывается за многоликой «эн». Причем в этом помогает наименование единиц измерения, если, конечно, приведено ее значение.
Также допускается еще один вариант: внимательно посмотрите на остальные буквы в формуле. Возможно, они окажутся знакомыми и дадут подсказку в решаемом вопросе.

Построение чертежей — дело непростое, но без него в современном мире никак. Ведь чтобы изготовить даже самый обычный предмет (крошечный болт или гайку, полку для книг, дизайн нового платья и подобное), изначально нужно провести соответствующие вычисления и нарисовать чертеж будущего изделия. Однако часто составляет его один человек, а занимается изготовлением чего-либо по этой схеме другой.

Чтобы не возникло путаницы в понимании изображенного предмета и его параметров, во всем мире приняты условные обозначения длины, ширины, высоты и других величин, применяемых при проектировании. Каковы они? Давайте узнаем.

Величины

Площадь, высота и другие обозначения подобного характера являются не только физическими, но и математическими величинами.

Единое их буквенное обозначение (используемое всеми странами) было уставлено в середине ХХ века Международной системой единиц (СИ) и применяется по сей день. Именно по этой причине все подобные параметры обозначаются латинскими, а не кириллическими буквами или арабской вязью. Чтобы не создавать отдельных трудностей, при разработке стандартов конструкторской документации в большинстве современных стран решено было использовать практически те же условные обозначения, что применяются в физике или геометрии.

Любой выпускник школы помнит, что в зависимости от того, двухмерная или трехмерная фигура (изделие) изображена на чертеже, она обладает набором основных параметров. Если присутствуют два измерения — это ширина и длина, если их три — добавляется еще и высота.

Итак, для начала давайте выясним, как правильно длину, ширину, высоту обозначать на чертежах.

Ширина

Как было сказано выше, в математике рассматриваемая величина является одним из трех пространственных измерений любого объекта, при условии что его замеры производятся в поперечном направлении. Так чем знаменита ширина? Обозначение буквой «В» она имеет. Об этом известно во всём мире. Причем, согласно ГОСТу, допустимо применение как заглавной, так и строчной латинских литер. Часто возникает вопрос о том, почему именно такая буква выбрана. Ведь обычно сокращение производится по первой греческого или английского названия величины. При этом ширина на английском будет выглядеть как «width».

Вероятно, здесь дело в том, что данный параметр наиболее широкое применение изначально имел в геометрии. В этой науке, описывая фигуры, часто длину, ширину, высоту обозначают буквами «а», «b», «с». Согласно этой традиции, при выборе литера «В» (или «b») была заимствована системой СИ (хотя для других двух измерений стали применять отличные от геометрических символы).

Большинство полагает, что это было сделано, дабы не путать ширину (обозначение буквой «B»/«b») с весом. Дело в том, что последний иногда именуется как «W» (сокращение от английского названия weight), хотя допустимо использование и других литер («G» и «Р»). Согласно международным нормам системы СИ, измеряется ширина в метрах или кратных (дольных) их единицах. Стоит отметить, что в геометрии иногда также допустимо использовать «w» для обозначения ширины, однако в физике и остальных точных науках такое обозначение, как правило, не применяется.

Длина

Как уже было указано, в математике длина, высота, ширина — это три пространственных измерения. При этом, если ширина является линейным размером в поперечном направлении, то длина — в продольном. Рассматривая ее как величину физики можно понять, что под этим словом подразумевается численная характеристика протяжности линий.

В английском языке этот термин именуется length. Именно из-за этого данная величина обозначается заглавной или строчной начальной литерой этого слова — «L». Как и ширина, длина измеряется в метрах или их кратных (дольных) единицах.

Высота

Наличие этой величины указывает на то, что приходится иметь дело с более сложным — трехмерным пространством. В отличие от длины и ширины, высота численно характеризует размер объекта в вертикальном направлении.

На английском она пишется как «height». Поэтому, согласно международным нормам, ее обозначают латинской литерой «Н»/«h». Помимо высоты, в чертежах иногда эта буква выступает и как глубины обозначение. Высота, ширина и длина — все все эти параметры измеряются в метрах и их кратных и дольных единицах (километры, сантиметры, миллиметры и т. п.).

Радиус и диаметр

Помимо рассмотренных параметров, при составлении чертежей приходится иметь дело и с иными.

Например, при работе с окружностями возникает необходимость в определении их радиуса. Так именуется отрезок, который соединяет две точки. Первая из них является центром. Вторая находится непосредственно на самой окружности. На латыни это слово выглядит как «radius». Отсюда и строчная или заглавная «R»/«r».

Чертя окружности, помимо радиуса часто приходится сталкиваться с близким к нему явлением — диаметром. Он также является отрезком, соединяющим две точки на окружности. При этом он обязательно проходит через центр.

Численно диаметр равен двум радиусам. По-английски это слово пишется так: «diameter». Отсюда и сокращение — большая или маленькая латинская буква «D»/«d». Часто диаметр на чертежах обозначают при помощи перечеркнутого круга — «Ø».

Хотя это распространенное сокращение, стоит иметь в виду, что ГОСТ предусматривает использование только латинской «D»/«d».

Толщина

Большинство из нас помнят школьные уроки математики. Ещё тогда учителя рассказывали, что, латинской литерой «s» принято обозначать такую величину, как площадь. Однако, согласно общепринятым нормам, на чертежах таким способом записывается совсем другой параметр — толщина.

Почему так? Известно, что в случае с высотой, шириной, длиной, обозначение буквами можно было объяснить их написанием или традицией. Вот только толщина по-английски выглядит как «thickness», а в латинском варианте — «crassities». Также непонятно, почему, в отличие от других величин, толщину можно обозначать только строчной литерой. Обозначение «s» также применяется при описании толщины страниц, стенок, ребер и так далее.

Периметр и площадь

В отличие от всех перечисленных выше величин, слово «периметр» пришло не из латыни или английского, а из греческого языка. Оно образовано от «περιμετρέο» («измерять окружность»). И сегодня этот термин сохранил свое значение (общая длина границ фигуры). Впоследствии слово попало в английский язык («perimeter») и закрепилось в системе СИ в виде сокращения буквой «Р».

Площадь — это величина, показывающая количественную характеристику геометрической фигуры, обладающей двумя измерениями (длиной и шириной). В отличие от всего перечисленного ранее, она измеряется в квадратных метрах (а также в дольных и кратных их единицах). Что касается буквенного обозначения площади, то в разных сферах оно отличается. Например, в математике это знакомая всем с детства латинская литера «S». Почему так — нет информации.

Некоторые по незнанию думают, что это связано с английским написанием слова «square». Однако в нем математическая площадь — это «area», а «square» — это площадь в архитектурном понимании. Кстати, стоит вспомнить, что «square» — название геометрической фигуры «квадрат». Так что стоит быть внимательным при изучении чертежей на английском языке. Из-за перевода «area» в отдельных дисциплинах в качестве обозначения применяется литера «А». В редких случаях также используется «F», однако в физике данная буква означает величину под названием «сила» («fortis»).

Другие распространенные сокращения

Обозначения высоты, ширины, длины, толщины, радиуса, диаметра являются наиболее употребляемыми при составлении чертежей. Однако есть и другие величины, которые тоже часто присутствуют в них. Например, строчное «t». В физике это означает «температуру», однако согласно ГОСТу Единой системы конструкторской документации, данная литера — это шаг (винтовых пружин, и подобного). При этом она не используется, когда речь идет о зубчатых зацеплениях и резьбе.

Заглавная и строчная буква «A»/«a» (согласно все тем же нормам) в чертежах применяется, чтобы обозначать не площадь, а межцентровое и межосевое расстояние. Помимо различных величин, в чертежах часто приходится обозначать углы разного размера. Для этого принято использовать строчные литеры греческого алфавита. Наиболее применяемые — «α», «β», «γ» и «δ». Однако допустимо использовать и другие.

Какой стандарт определяет буквенное обозначение длины, ширины, высоты, площади и других величин?

Как уже было сказано выше, чтобы не было недопонимания при прочтении чертежа, представителями разных народов приняты общие стандарты буквенного обозначения. Иными словами, если вы сомневаетесь в интерпретации того или иного сокращения, загляните в ГОСТы. Таким образом вы узнаете, как правильно обозначается высота, ширины, длина, диаметр, радиус и так далее.

Содержание:

Колебательное движение:

Колебательное движение (колебания) — один из наиболее распространённых процессов в природе и технике.

Наблюдение. Под действием ветра колеблются высотные дома и высоковольтные линии электропередачи, совершают колебания маятник заведённых часов, автомобиль на рессорах во время движения. Землетрясения — это колебания земной коры, приливы и отливы — колебания уровня воды в морях и океанах, обусловленные притяжением Луны, удары пульса — результат периодических сокращений сердечной мышцы человека.

Колебательные явления изучает специальный раздел физики — теория колебаний. Знания о колебательных процессах нужны судо- и самолётостроителям, специалистам промышленности и транспорта, конструкторам радиотехнической и звуковой аппаратуры и др.

Опыт 1.

Для наблюдения и изучения колебаний, а также для применения в разнообразных приборах используют маятники. Простейший маятник — это шарик, подвешенный на нити к какой-либо опоре. Если шарик отклонить от исходного положения равновесия и отпустить, то он начнёт двигаться слева направо, справа налево до тех пор, пока колебания не прекратятся (рис. 25).

В физике маятник подобной конструкции называют математическим маятником.

Каковы же самые характерные признаки колебательных движении? Проведённый опыт даёт возможность сделать вывод, что во время колебаний определённые состояния движения тела повторяются или почти повторяется. Сделав одно полное колебание, т. е. пройдя путь от крайнего левого положения к крайнему правому и назад, тело, подвешенное на нити, и в дальнейшем будет повторять такое же движение. Мы уже знаем, если движение тела повторяется со временем, то его называют периодическим.

Механические колебания — это такое движение, при котором положение и скорость движения тела точно или приблизительно повторяются через определённые интервалы времени.

Повторяются движения поршня в двигателе автомобиля, лодок на волнах, стержня отбойного молотка, сита сортировочной установки. Всё это примеры механических колебаний.

Математический маятник состоит из нескольких тел, взаимодействующих между собой: Земля и шарик, шарик и нить, нить и опора в точке подвеса. Если действием других тел на маятник можно пренебречь, то говорят, что тела в составе маятника образуют колебательную систему. Если вывести колебательную систему из состояния равновесия — отклонить шарик из исходного положения и отпустить, то далее колебания будут продолжаться без внешнего вмешательства за счёт взаимодействия между телами системы. Колебания, происходящие в колебательной системе за счёт взаимно действия между образующими её телами, называют свободными.

Рассмотренные нами колебания шарика на нити являются примером свободных колебаний.

А какой вид имеют колебания и какими физическими величинами они характеризуются?

Опыт 2.

Возьмём маятник, в котором вместо шарика подвешен грузик со сквозным отверстием. С помощью такого устройства можно записывать колебания (рис. 26). 

Установим в отверстие грузика фломастер, выведем грузик из положения равновесия и отпустим. Маятник колеблется, а фломастер, касаясь листа картона, который мы равномерно протягиваем во время колебаний, оставляет на нём след.

В результате опыта получаем график колебаний маятника в виде начерченной линии (рис. 27), т. е. зависимость отклонения маятника от времени. Позже будем подробно изучать эту важную волнистую линию, называемую синусоидой.

Как видно из рисунка 27, маятник в определенный момент отклоняется от положения равновесия на некоторое максимальное расстояние. Это отклонение маятника назвали амплитудой колебаний. 

Амплитуда колебаний — это наибольшее отклонение тела от положения равновесия.

Амплитуду колебаний обозначают большой латинской буквой А. Её единицей в СИ является один метр (1 м). Значение амплитуды зависит только от того, на какое расстояние тело было отведено от положения равновесия до начала колебаний.

Маятник выполняет одно полное колебание за определённое время. Продолжительность одного полного колебания называют периодом колебаний. 

Период колебаний — это наименьший интервал времени, через который определённое состояние движения тела полностью повторяется.

Период колебаний обозначают большой латинской буквой Т. Его единицей в СИ является одна секунда (1 с).

Если за время t  произошло N  полных колебаний, то, чтобы определить период Т, нужно t  поделить на N, т. е.: .

Опыт 3.

Возьмём маятник, как в опыте 2, но подвесим грузик на нить большей длины. Потом так же запишем график колебаний нового маятника и сравним его с (графиком в опыте 2. Увидим, что чем больше длина маятника, тем больше период его колебаний (рис. 28).

Период колебаний маятника зависит от его длины. Чем длиннее маятник, тем больше период его колебаний.

Если выполнить опыты с пружинным маятником, который состоит из пружины и подвешенного к нему тела, то окажется, что чем больше масса подвешенного к пружине тела, тем больше период колебаний пружинного маятника.

Колебания характеризуются также частотой колебаний, которая обозначается греческой буквой (ню).

Частота колебаний определяется числом колебаний, выполненных системой за единицу времени.

Если за время t  произошло N колебаний, то, чтобы определить частоту , нужно N разделить на t , т. е.:
 , или .

Частота и период колебаний связаны обратно пропорциональной зависимостью, поэтому:
,

где Т— период колебаний; — частота колебаний.

Единицей частоты в СИ является один герц (1 Гц). 1 Гц = 1 . Она названа так в честь известного немецкого физика Генриха Герца. Если частота колебаний = 1 Гц, то это означает, что происходит одно колебание в секунду. Приблизительно с такой частотой бьётся человеческое сердце. Если = 50 Гц, то происходят 50 колебаний в секунду.

Кстати:

Исследования показали, что сердце мыши совершает 600 ударов в минуту, а кита — 15 ударов в минуту. Тем не менее оба сердца сокращаются за время жизни животного около 750 млн раз.

Пример задачи:

Если при вращении шлифовального круга скорость движения точек на его краю равна 95 , то возникает опасность разрыва круга. Можно ли этот круг радиусом 20 см вращать с частотой 100 ?

Дано:    

 = 95

 = 20см

 = 100 

 = ?

Решение:

По условию задачи — значение скорости, при которой возникает опасность разрыва круга;  — значение скорости, которую будут иметь точки на краю круга, определяем по формуле 

Для одного оборота путь , где  = 3,14;

, а  ,   тогда .

Подставив значения, получим:

Ответ: полученное значение скорости больше того, при котором возникает опасность разрыва. Значит, шлифовальный круг нельзя вращать с частотой 100 .

Колебательные движения -амплитуда, период и частота колебаний

Колебания — самая распространенная форма движения в окружающем мире и технике. Колеблются деревья под действием ветра, поршни в двигателе автомобиля и т. п. Мы можем разговаривать и слышать звуки благодаря колебаниям голосовых связок, воздуха и барабанных перепонок. Колеблется сердце. Все это примеры механических колебаний. Свет — это тоже колебания, но электромагнитные. С помощью электромагнитных колебаний, распространяющихся в пространстве, осуществляют радиосвязь, радиолокацию, телевидение, а также лечат различные болезни.

На первый взгляд, приведенные примеры колебаний имеют мало общего. Однако при их исследовании выяснилось, что разные по природе колебания описываются одинаковыми математическими уравнениями, что значительно облегчает их изучение.

Как же возникают механические колебания? Рассмотрим движение шара с отверстием, прикрепленного к одному концу зафиксированной пружины на горизонтально расположенном стержне. Второй конец пружины закреплен в стене (рис. 21). Пусть в начальный момент шар находится в положении равновесия ОО’ . Рассмотрим идеальный случай, когда в данной системе отсутствует трение, то есть механическая энергия не уменьшается.

Переместим шар вправо от положения равновесия, пружина при I этом растянется. Если шар отпустить, пружина заставит его двигаться к положению равновесия. Поскольку в системе трения нет, то шар пройдет положение равновесия и, двигаясь влево, сожмет пружину. Достигнув крайнего левого положения, шар будет двигаться вправо и вернется в крайнее правое положение. Пружина при этом опять будет максимально растянутой. В данном случае шар выполнит одно полное колебание. В дальнейшем в идеальной системе (без трения) такие колебания будут совершаться как угодно долго.

Очевидно, что отличительной особенностью колебаний является их периодичность. Но периодичными являются и вращательные движения. В отличие от вращательных движений, у которых для каждой точки имеются траектории в виде окружности, во время колебательных движений точка или тело двигаются в противоположных направлениях по одной и той же траектории.

В колебательном движении точка (тело) проходит все точки траектории движения (кроме двух крайних точек) дважды — один раз в одном направлении, второй — в обратном.

На рисунке 22 изображено одно полное колебание шара с пружиной. Движение осуществляется в такой последовательности от точки к точке:  

 

и опять повторяется.    

Максимальное отклонение колеблющегося тела от положения равновесия называется амплитудой колебания тела (на рис. +А и -А).

Время, в течение которого осуществляется одно полное колебание тела, называется периодом колебания тела Т.

Основной единицей периода колебаний является секунда.

Частота колебаний измеряется в единицах в секунду. Эта единица Частота колебаний называется герц (Гц) в честь немецкого физика Генриха Герца, который в 1884 г. экспериментально  доказал существование электромагнитных волн.

Частота колебаний f* показывает какое количество колебаний совершает тело за единицу времени.

Период колебания тел Т связан с частотой их колебаний f соотношением:

Карта колебательного движения

Механическое колебательное движение. Одно из наиболее распространенных движений в природе — механическое колебательное движение.

Механическое колебательное движение — это полностью или частично повторяющееся движение тела в противоположных направлениях около положения устойчивого равновесия. Другими словами: механическое колебательное движение — это перемещение то в одном, то в другом направлении вокруг положения равновесия тела или системы тел.

Колебательное движение может быть периодическим и непериодическим:

Периодическое колебательное движение — это колебания тела или системы тел, повторяющиеся через одинаковые промежутки времени.

Непериодическое колебательное движение — это колебания тела или системы тел, повторяющиеся через произвольные промежутки времени. У таких колебаний определенных периодов нет.

Периодические колебания в основном бывают двух видов: вынужденные и свободные колебания.

Вынужденные колебания — это колебания, возникающие в результате воздействия внешней периодически изменяющейся силы.

Свободные колебания — это колебания, возникающие в результате действия внутренних сил замкнутой системы.

Свободные колебания:

Для простоты проведения измерений и вычислений при изучении колебательного движения удобно воспользоваться замкнутой системой. В замкнутой системе тела совершают колебательные движения в результате действия внутренних сил.

Колебания груза, прикрепленного к пружине (система пружина-груз), или тела, подвешенного на нити (система нить-тело), можно отнести к свободным колебаниям. Внутренней силой в системе пружина-груз является сила упругости пружины, в системе нить-тело — сила тяжести, действующая на тело.

Кинематические характеристики колебательного движения. Ознакомимся с некоторыми из них.

Смещение — это физическая величина, показывающая, в какую сторону и на сколько удаляется от положения равновесия колеблющееся тело за определенный промежуток времени. Например, предположим, что тело массой совершает повторяющиеся периодические движения вокруг точки равновесия  вправо и влево от нее, вдоль оси  Координата тела в данный момент времени  показывает смещение этого тела от его положения равновесия (а).

Амплитуда — это наибольшее смещение колеблющегося тела от положения равновесия. Амплитуда обозначается или а единица ее измерения в СИ—метр (м).

Если тело, двигаясь вправо от точки равновесия  смещается на амплитуду (точка  затем, остановившись на мгновение, возвращается в точку движется влево, смещаясь до точки с координатой — (точка и остановившись в этой точке на мгновение, снова вернется в точку то это движение тела называется одно полное колебание (см: а). Таким образом, тело за время одного полного колебания проходит путь, равный 4 амплитудам:

Если тело за промежуток времени совершит  колебаний, то пройденный им путь будет равен:

Где  (ню) — частота колебаний,  — период колебаний.

Частота колебаний -это физическая величина, численно равная числу колебаний за одну секунду:

За единицу измерения частоты колебания в СИ принята величина, названная в честь немецкого ученого Генри Герца, герц (1Гц). 1 Гц — это частота таких колебаний, при которых за 1с совершается 1 колебание: 

Период колебаний — это время, за которое совершается одно полное колебание:

Единица измерения периода в СИ — секунда (1 с):

Период и частота колебаний — взаимно обратные величины:

или 

Циклическая частота, являясь величиной в  раза большей частоты колебаний, показывает, сколько колебаний совершает тело за 6,28 секунды 

Здесь (омега) — циклическая частота. Единица измерения циклической частоты в СИ:

Гармоническое колебание и его график:

Самым простым колебательным движением является гармоническое колебание.

Гармонические колебания — это колебания, при которых величины, характеризующие движение, изменяются со временем по закону синуса или косинуса.

Изменения положения тела, совершающего свободные гармонические колебания, описываются кривой, которая является синусоидой или косинусоидой. Кривую синусоиды (или косинусоиды) с легкостью можно наблюдать во время проведения опыта как с пружинным, так и с нитевым маятником, представляющим собой наполненную песком воронку с небольшим отверстием внизу (b).

Эта кривая соответствует графику изменения перемещения маятника от времени  по закону синуса или косинуса (с): 

или

Из графика видно, что за время, равное периоду колебания  маятник совершает одно полное колебание (см: с).

Кстати:

Отсутствие действия внешних сил на замкнутую систему приводит к тому, что ее полная механическая энергия не изменяется. Это означает, что в идеальных условиях амплитуда свободных колебаний в замкнутой системе не изменяется, то есть колебания не затухают. Однако в реальности свободные колебания затухают — под действием сил трения с течением времени полная механическая энергия системы уменьшается, то есть уменьшается амплитуда колебаний и колебания затухают (d).

Затухающие колебания — это колебания в замкнутой колебательной системе, в которой в результате действия сил трения происходит постепенное уменьшение полной механической энергии системы и уменьшение амплитуды колебаний.

Всё о колебательном движение

При равномерном вращении материальной точки по окружности радиусом R с угловой скоростью угол поворотаматериальной точки изменяется со временем по закону . При таком движении центростремительное (нормальное) ускорение материальной точки направлено к центру окружности и вычисляется по формуле где v — модуль линейной скорости.

Положение механической системы, в котором равнодействующая всех действующих сил равна нулю, называется положением равновесия.

Колебательным движением (колебаниями) называют всякий процесс, который обладает свойством повторяемости во времени. Периодическим называется движение, при котором физические величины, характеризующие его, через равные промежутки времени принимают одни и те же значения. Периодическое движение называется колебательным, если тело или материальная точка движется вблизи устойчивого положения равновесия, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. При этом через любую точку траектории, за исключением крайних, тело проходит как в прямом, так и в обратном направлении. Следовательно, отличительным признаком колебательного движения является его возвратность.

Например, механическим колебательным движением является движение тела, подвешенного на нити, движение груза на пружине. Колебания могут быть не только механическими, но и электромагнитными (периодические изменения напряжения и силы тока в цепи), термодинамическими (колебания температуры с течением времени).

Таким образом, колебания — это особая форма движения. Его особенностью является тот факт, что различные по своей природе физические процессы (механические, электромагнитные и т. д.) описываются одинаковыми математическими зависимостями физических величин от времени.

Опыт показывает, что для возникновения и существования механических колебаний в некоторой системе необходимо выполнение определенных условий. Прежде всего, при выведении (например, при малом смещении) тела из положения равновесия в системе должна возникать результирующая сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Кроме того, в системе должно существовать достаточно малое трение, поскольку в противном случае колебания быстро затухнут или могут не возникнуть вообще.

Рассмотрим движение небольшого тела М, которое будем считать материальной точкой (рис. 1), по окружности радиусом R с постоянной по модулю линейной скоростью . Пусть рассматриваемое движение происходит против хода часовой стрелки.

Если в начальный момент времени = 0 материальная точка находилась в положении то через промежуток времени = t — она окажется в некотором положении М. Обозначим координату материальной точки в этом положении через х. Координата х на рисунке соответствует координате точки В на оси Ох.

Поскольку при движении точки М по окружности ее координата х будет периодически изменяться от +R до -R, то можно сказать что точка В совершает колебательное движение вдоль оси Ох, а ее координата х является координатой колеблющейся точки.

Соответственно, проекция линейной скорости материальной точки на ось Ох в данный момент времени является скоростью точки В, а проекция а, ее центростремительного ускорения — ускорением точки В.

Радиус, соединяющий движущуюся точку М с центром окружности О, за промежуток времени повернулся на угол , называемый фазовым углом или просто фазой. Из рисунка видно, что

Если — угловая скорость движения материальной точки, а начальный момент движения = 0, то

где Т — период ее вращения по окружности.

Тогда координату x, проекцию скорости и проекцию ускорения точки В в любой момент времени можно определить по формулам:

Поскольку функции периодические, то через промежуток времени Т, по истечении которого угол изменится на , все характеристики движения точки В вдоль оси Ох (координата, проекция скорости и проекция ускорения) примут прежние значения (табл. 1). Точка В в течение этого промежутка времени дважды проходит через центр окружности, двигаясь в противоположных направлениях вдоль оси Ох (см. рис. 1). Как уже отмечалось, возвратность — основной признак колебательного движения.

Таблица I

Координата х, проекция скорости и проекция ускорения тела, движущегося по окружности, в различные моменты времени t

Зависимость координаты х, проекции скорости и проекции ускорения от времени t (промежутка времени) показаны на рисунке 2.

Наиболее важными величинами, характеризующими механические колебания, являются:

x(t) — координата материальной точки или ее отклонение из положения равновесия в момент времени t:

гдe f(t) — заданная периодическая функция времени t,T— период этой функции;

А (А > 0) — амплитуда — максимальное смещение тела или системы тел из положения устойчивого равновесия;

т = — период — длительность одного полного колебания, т. е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебание. Здесь t — время совершения N полных колебаний.

В СИ основной единицей периода (времени) является секунда (1 с).

v — частота — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени:

В СИ основной единицей частоты является герц (1 Гц). 1 Гц равен частоте, при которой за 1 с тело совершает одно полное колебание (1 Гц= 1 ).

— циклическая частота — число полных колебаний, совершаемых за промежуток времени , равный секунд:

В СИ основной единицей циклической частоты является радиан в секунду (1)

— фаза — аргумент периодической функции, определяющий значение физической величины в любой момент времени t. Она определяет состояние колебательной системы (координаты, скорости, ускорения) в любой момент времени при заданной амплитуде. Единицей фазы является радиан (1 рад).

— начальная фаза, определяющая состояние колебательной системы в начальный момент времени ( = 0).

Колебания, при которых координата (смещение) тела со временем изменяется по закону косинуса

или синуса

называются гармоническими.

Зависимость координаты от времени x{t) называется кинематическим законом гармонических колебаний (законом движения), поскольку позволяет определить положение тела, его скорость, ускорение в произвольный момент времени. Систему (тело), которая совершает гармонические колебания, называют гармонической колебательной системой или гармоническим осциллятором.

Обратим внимание на то, что координата и проекция ускорения точки В (см. рис. 1) в любой момент времени связаны соотношением. Это соотношение позволяет сделать вывод, что при гармонических колебаниях проекция ускорения точки прямо пропорциональна ее смещению от положения равновесия и противоположна ему по знаку.

Данное соотношение, записанное в виде

   (1)

представляет собой уравнение гармонических колебаний (гармонического осциллятора).

Так как ускорение всегда обусловлено действием силы, то т. е. При гармонических колебаниях проекция силы, возвращающей тело в положение равновесия (х = 0), пропорциональна его координате:

Знак «минус» отражает возвратный характер возникающей силы. Как уже отмечалось, появление возвращающей силы при отклонении тела от положения равновесия является необходимым условием возникновения колебаний.

При достаточно малой амплитуде любые колебания можно приближенно считать гармоническими.

Положению равновесия тела соответствует точка х = 0, так как при этом равнодействующая сила, приложенная к нему, равна нулю ().

Различают несколько видов равновесия. Равновесие называется устойчивым, если при малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в исходное положение. Равновесие называется неустойчивым, если при малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, вызывающие дальнейшее отклонение тела от положения равновесия. Равновесие называется безразличным, если при отклонении тела от положения равновесия равнодействующая сила остается равной нулю.

Примером устойчивого равновесия может служить равновесие небольшого шарика в сферической ямке, а примером неустойчивого — равновесие шарика на вершине сферической горки. Равновесие шарика на горизонтальной поверхности является безразличным.

Таким образом, колебания материальной точки являются гармоническими, если они происходят под действием возвращающей силы, модуль которой прямо пропорционален смещению точки из положения равновесия и направленной к положению равновесия колеблющегося тела.

Если рассмотреть проекцию точки М на ось Оу (точка С на рис. 1), то ее координата y(t) будет совершать гармонические колебания вдоль оси Оу.

Таким образом, движение по окружности с постоянной по модулю линейной скоростью можно рассматривать как два гармонических колебательных движения, происходящих одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пример №1

За какую часть периода тело, совершающее гармонические колебания, проходит расстояние: а) от среднего положения до крайнего; б) первую половину этого расстояния; в) вторую половину этого расстояния?

Решение

Координата х тела, совершающего гармонические колебания, определяется

соотношением  

Здесь А — амплитуда, t — время, отсчитываемое с момента прохождения телом положения равновесия, Т — период колебаний, = 0, так как х(0) = 0.

а)    Промежуток времени , необходимый телу для прохождения расстояния из среднего положения в крайнее, определяется из условия

Откуда получаем

Тогда искомый промежуток времени

б)    Промежуток времени , необходимый телу для прохождения первой половины этого расстояния, определяется из условия

Откуда получаем

в) Промежуток времени , необходимый телу для прохождения второй половины этого расстояния, определяется по формуле

Ответ: 

Что такое колебательное движение

При движении материальной точки (МТ) по окружности радиусом  с постоянной угловой скоростью  угол поворота  радиус-вектора МТ изменяется со временем по закону  Центростремительное (нормальное) ускорение МТ направлено к центру окружности, и его модуль равен  Тело находится в равновесии, если векторная сумма всех сил, приложенных к нему, и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно любой оси равна нулю.

Движение, при котором все характеризующие его физические величины (например, координата  проекция скорости  проекция действующей силы  принимают одинаковые значения через равные промежутки времени  (рис. 1), называется периодическим.

Периодическое движение является колебательным, если тело или материальная точка движется вблизи положения равновесия, отклоняясь от него то в одну, то в другую сторону. Например, механическим колебательным движением является движение тела, подвешенного на нити (рис. 2, а), а также движение груза на пружине (рис. 2, б) и металлической пластинки, один конец которой закреплен (рис. 2, в).

При этом через любую точку траектории (кроме крайних) тело проходит как в прямом, так и в обратном направлении.

Таким образом, колебательным называется периодическое движение (процесс), при котором любая характеризующая его физическая величина (например, координата) поочередно принимает то положительное, то отрицательное значение относительно положения устойчивого равновесия. Следовательно, периодическое колебательное движение (колебания) обладает свойством повторяемости во времени.

Подчеркнем, что по своей природе колебания могут быть не только механическими, но и электромагнитными (соответствуют изменениям напряжения и силы тока в электрической цепи), термодинамическими (соответствуют периодическим изменениям температуры системы с течением времени) и т. д.

Колебания — особая форма движения в том смысле, что различные по своей природе физические процессы (механические, электромагнитные и т. д.) описываются одинаковыми математическими зависимостями физических величин от времени.

Результаты экспериментов показывают, что для возникновения и существования механических колебаний необходимо выполнение определенных условий. Прежде всего, при выведении (например, при малом смещении) тела из положения равновесия в системе должна возникать результирующая сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Кроме того, в системе не должно быть большое трение, поскольку в этом случае колебания быстро затухнут (вследствие потери энергии) или не возникнут вообще.

Рассмотрим равномерное вращение материальной точки  по окружности радиусом  (рис. 3, а). Пусть рассматриваемое движение происходит против хода часовой стрелки. Выберем ось  как показано на рисунке 3, а. Если в начальный момент времени  материальная точка находилась в положении  то через промежуток времени  она окажется в некотором положении 

Спроецируем на ось  радиус-вектор  движущейся точки, ее линейную скорость  и центростремительное ускорение 

Проекция  радиус-вектора в положении  (точка  является смещением материальной точки от центра окружности  вдоль оси  (см. рис. 3, а). Следовательно, на оси  этому смещению точки соответствует координата  точки 

Поскольку при равномерном вращении точки  по окружности ее координата (смещение)  будет периодически изменяться от  до  можно сказать, что точка  совершает колебательное движение вдоль оси  а ее координата  является координатой колеблющейся точки (рис. 3, б).

Соответственно, проекция линейной скорости материальной точки  на ось  является проекцией скорости  точки  и периодически изменяется от  а проекция ее центростремительного ускорения — проекцией ускорения  точки  которое также периодически изменяется от 

Радиус-вектор  за промежуток времени  повернулся на угол  (см. рис. 3, а). При равномерном вращении точки  по окружности ее линейная скорость  направлена по касательной, а центростремительное ускорение  — к центру окружности (см. рис. 3, а). Таким образом,

С учетом того, что модуль линейной скорости  модуль центростремительного ускорения  выполняются соотношения:

 Где  — период вращения тела по окружности.

Если при  материальная точка находилась в точке  то координату  проекции скорости  и ускорения  точкиВ в любой момент времени можно определить по формулам:

Таблица 1. Координата  проекции скорости  и ускорения  тела, движущегося по окружности, в разные моменты времени

Поскольку функции  периодические, то через промежуток времени, равный периоду  по истечении которого угол  изменится на  все характеристики движения точки  вдоль оси  (координата, проекция скорости и проекция ускорения) примут прежние значения (табл. 1), т. е. значения характеристик периодически повторяются.

Точка  в течение этого промежутка времени дважды проходит через начало координат, двигаясь в противоположных направлениях вдоль оси  (см. рис. 3, а). Как отмечалось выше, повторяемость — основной признак периодического движения.

Графики зависимостей координаты  проекции скорости  и проекции ускорения  от времени показаны на рисунке 4, где  — время, отсчитываемое от момента начала колебаний.

Обратим внимание на то, что проекция ускорения  точки  (см. рис. 3, а) в любой момент времени пропорциональна смещению (координате)  и противоположна ему по знаку:

Перепишем данное соотношение в виде

Колебания, описываемые уравнением (1), являются гармоническими, а система, совершающая такие колебания, — гармонической колебательной системой, или гармоническим осциллятором (от лат. oscillo — качаюсь).

Уравнение (1) описывает гармонические колебания, при которых координата (смещение) тела от времени изменяется по закону косинуса:

или синуса:

где  — начальная фаза, которая определяет состояние колебательной системы в начальный момент времени,  — амплитуда колебаний.

Зависимость координаты от времени  (соотношения (2) и (3)) называется кинематическим законом (или уравнением) гармонических колебаний (законом движения), поскольку позволяет определить положение тела, его скорость, ускорение в произвольный момент времени.

Наиболее важными величинами, характеризующими механические периодические колебания, являются:

 — координата  (смещение из положения равновесия) в момент времени 

где  — заданная периодическая функция времени  — период этой функции.

 — амплитуда колебаний — максимальное смещение  тела или системы тел из положения устойчивого равновесия.

 — период — длительность одного полного колебания, т. е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебание. Здесь  — время совершения  полных колебаний.

В СИ единицей периода колебаний является 1 секунда (1с).

 — частота — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени:

В СИ единицей частоты колебаний является 1 герц (1 Гц). 1 Гц равен частоте колебаний тела, при которой за 1 с тело совершает одно полное колебание 

 — циклическая частота — число полных колебаний, совершаемых за промежуток времени  равный  секунд:

В СИ единицей циклической частоты является 1 радиан в секунду 

 фаза (от греч.  (фазис) — появление, момент явления) — аргумент периодической функции, определяющий значение физической величины в любой момент времени  Она определяет состояние колебательной системы (координаты, скорости, ускорения) в любой момент времени при заданной частоте и амплитуде.

Единицей фазы является 1 радиан (1 рад).

о — начальная фаза, которая определяет состояние колебательной системы в начальный момент времени 

Циклическая частота  гармонических колебаний зависит только от свойств системы, в которой происходят колебания, но не зависит от амплитуды колебаний. Амплитуда колебаний  и начальная фаза  определяются не свойствами самой системы, а тем способом, которым в системе вызваны колебания.

Так как ускорение тела всегда обусловлено действием силы, то по второму закону Ньютона в проекции на ось  можно записать:

Следовательно, при гармонических колебаниях проекция силы  возвращающей тело в положение равновесия  пропорциональна его смещению от этого положения (координате)  причем знак «минус» отражает «возвратный» характер возникающей силы. Как уже отмечалось, появление возвращающей силы при отклонении тела от положения равновесия является необходимым условием возникновения колебаний.

Положению равновесия тела соответствует точка, в которой равнодействующая сил, приложенных к нему, равна нулю  Координату этой точки, как правило, принимают равной нулю 

 Различают несколько видов равновесия (рис. 5). Равновесие называется устойчивым, если при малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в исходное положение. Равновесие 

называется неустойчивым, если при малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, вызывающие дальнейшее отклонение тела от положения равновесия. Равновесие называется безразличным, если при отклонении тела от положения равновесия равнодействующая сила остается равной нулю. Примером устойчивого равновесия может служить равновесие небольшого шарика в сферической ямке, а неустойчивого — равновесие шарика на вершине сферической горки. Равновесие шарика на горизонтальной поверхности является безразличным.

Таким образом, колебания материальной точки могут возникать только вблизи положения устойчивого равновесия. Если при этом они происходят под действием возвращающей силы, модуль которой прямо пропорционален смещению точки из положения равновесия, направленной к положению равновесия колеблющегося тела, то они будут гармоническими.

Заметим, что точно так же, как мы рассматривали изменение координаты х вращающейся по окружности материальной точки  можно рассматривать и изменение ее координаты  (точка  (см. рис. 3, а). Следовательно, точка  будет совершать гармонические колебания вдоль оси 

Значит, равномерное вращение материальной точки по окружности можно рассматривать как наложение двух одинаковых по амплитуде гармонических колебаний, которые происходят одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пример №2

За какую часть периода тело, совершающее гармонические колебания, проходит расстояние: а) от положения равновесия до максимального смещения; б) первую половину этого расстояния; в) вторую половину этого расстояния?

Решение

Координата  тела, совершающего гармонические колебания, определяется соотношением:

Здесь  — амплитуда колебаний тела,  — время, отсчитываемое с момента прохождения телом положения равновесия,  — период колебаний,  — начальная фаза.

Пусть тело находится в положении равновесия в начальный момент времени  тогда 

а) Промежуток времени  необходимый телу для прохождения расстояния из среднего положения в крайнее  определяется из уравнения:

Наименьшее значение  при котором выполняется это равенство, получается при

Отсюда искомый промежуток времени:

б) Промежуток времени  необходимый для прохождения первой половины этого расстояния  определяется из уравнения:

Отсюда

в) Промежуток времени  необходимый для прохождения второй половины этого расстояния, определяется из соотношения:

Ответ: 

Таким образом, для прохождения первой половины расстояния тело затрачивает в 2 раза меньше времени, чем для прохождения второй половины.

Основные характеристики колебательного движения

При движении материальной точки по окружности радиусом R с постоянной по модулю линейной скоростью v угол поворота ее радиус-вектора изменяется со временем по закону — угловая скорость. Такое движение характеризуется центростремительным (нормальным) ускорением, которое вычисляется по формуле

Положение системы, при котором равнодействующая всех сил, приложенных к системе, равна нулю, называется положением равновесия.
Равновесие механической системы устойчиво, если при малом отклонении от положения равновесия система под действием внутренних сил возвращается в исходное положение.

Колебательным движением (колебаниями) называют всякий процесс, который обладает свойством повторяемости во времени. Периодическим называется движение, при котором физические величины, характеризующие колебательную систему, через равные промежутки времени принимают одни и те же значения. Периодическое движение называется колебательным, если тело (МТ) перемещается вблизи устойчивого положения равновесия, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. При этом через любую точку траектории, за исключением крайних, тело проходит как в прямом, так и в обратном направлении. Следовательно, отличительным признаком колебательного движения является его возвратность.

Например, механическим колебательным движением является движение небольшого тела, подвешенного на нити, груза на пружине, поршня в цилиндре двигателя автомобиля. Колебания могут быть не только механическими, но и электромагнитными (периодические изменения напряжения и силы тока в цепи), термодинамическими (колебания температуры днем и ночью).
Таким образом, колебания — это особая форма движения. Ее особенностью является то, что разнородные по своей природе физические процессы, например механические и электромагнитные, описываются одинаковыми зависимостями физических величин от времени.

Для существования механических колебаний необходимо:
наличие силы, стремящейся возвратить тело в положение равновесия при малом смещении из этого положения;

• достаточно малое трение в системе, поскольку, в противном случае, колебания быстро затухнут или вообще не возникнут.

Рассмотрим простейшую модель колебательного движения. Небольшое тело, рассматриваемое как материальная точка (точка М), движется по окружности радиусом R с постоянной по модулю скоростью (рис. 179) против хода часовой стрелки. Выберем ось Ох, как показано на рисунке. Если в начальный момент времени тело находилось в точке а через промежуток времени — в точке М, то проекция радиус-вектора которой на ось Ох (точка В) будет равна х. Точка В при движении тела по окружности совершает колебательное движение вдоль оси Ох, и ее координата х является координатой колеблющегося тела.

В соответствии с принципом независимости движений можно сказать, что проекция линейной скорости тела на ось Ох дает проекцию скорости перемещения точки В, а проекция центростремительного ускорения тела на ось Ох — проекцию ускорения точки В.

Радиус-вектор точки М за время  повернулся на угол называемый фазовым углом или просто фазой.
Из рисунка 179 видно, что
Если — угловая скорость движения тела по окружности, то при

где Т — период движения тела по окружности.

Тогда координату х, проекции скорости и ускорения в любой момент времени можно определить по формулам:

Как известно, функции — периодические. Это означает, что через промежуток времени Т, по истечении которого угол изменится на все характеристики движения точки В вдоль оси Ох (координата, проекции скорости и ускорения) примут прежние значения (см. таблицу 3).

Таблица 3
 

Координата х, модуль скорости v и модуль ускорения а тела, движущегося по окружности, в разные моменты времени

Точка В в течение этого промежутка времени дважды проходит через точку О (центр окружности), двигаясь в противоположных направлениях оси Ох (см. рис. 179). Как отмечалось выше, возвратность — основной признак колебательного движения.

Зависимость координаты х, проекции скорости и проекции ускорения от времени показана на рисунке 180.

Пусть t — время, отсчитываемое от момента начала колебаний. Наиболее важными величинами, характеризующими механические колебания, являются:
х(t) — координата тела (смещение тела из положения равновесия) в момент времени t:

где f(t) — заданная периодическая функция времени t, Т — период этой функции;
А (А > 0) — амплитуда — максимальное смещение тела или системы тел из положения равновесия;

Т — период — длительность одного полного колебания, т. е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебание. В СИ единицей периода является секунда (1с);
v — частота — число полных колебаний в единицу времени:

В СИ единицей частоты колебаний является герц. Один герц равен частоте колебаний тела, при которой за одну секунду тело совершает одно полное колебание
— циклическая частота — число полных колебаний за промежуток времени равный секунд:

В СИ единицей циклической частоты является радиан в секунду
— фаза — аргумент периодической функции, определяющий значение изменяющейся физической величины в данный момент времени /.

Единицей фазы является радиан (1 рад);
— начальная фаза, определяющая положение тела в начальный момент времени

Колебания, при которых зависимость координаты (смещения) тела от времени описывается формулами

называются гармоническими.

Зависимость координаты от времени x(t) называется кинематическим законом гармонических колебаний (законом движения), поскольку позволяет определить положение тела, его скорость, ускорение в произвольный момент времени. Систему (тело), которая совершает гармонические колебания, называют гармонической колебательной системой или одномерным гармоническим осциллятором.

Обратим внимание на то, что координата и проекция ускорения точки В (см. рис. 180) в любой момент времени связаны соотношением Это соотношение позволяет сделать вывод, что при гармонических колебаниях проекция ускорения точки прямо пропорциональна ее смещению из положения равновесия и противоположна ему по знаку.

Данное соотношение, записанное в виде

представляет собой уравнение гармонических колебаний (гармонического осциллятора).

Так как ускорение всегда обусловлено действием силы, то т. е. При гармонических колебаниях модуль силы, возвращающей тело в положение равновесия (х = 0), пропорционален ее координате причем знак «минус» отражает «возвратный» характер возникающей силы. Как уже отмечалось, появление возвращающей силы при отклонении тела от положения равновесия является необходимым условием возникновения колебаний.

При достаточно малой амплитуде колебаний любой колебательный процесс можно приближенно считать гармоническим.
Положению равновесия соответствует точка х = 0, так как при этом сила, действующая на тело, равна нулю

Таким образом, колебания материальной точки являются гармоническими, если они происходят под действием возвращающей силы, модуль которой прямо пропорционален смещению точки из положения равновесия и направлен к положению равновесия колеблющегося тела.

Уравнение гармонических колебаний можно получить и с помощью законов динамики, анализируя силы, действующие на систему. Подобное (динамическое) описание не содержит никаких сведений ни об амплитуде, ни о начальной фазе. Его необходимо дополнять начальными условиями, а именно: задавать положение тела и его скорость в начальный момент времени.
Заметим, что гармонические колебания вдоль оси Оу будет совершать и координата у тела, вращающегося по окружности с постоянной по модулю скоростью (см. рис. 179).

Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью можно рассматривать как два гармонических колебательных движения, совершаемых в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Превращения энергии при колебательном движении

Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергий. Кинетической энергией тело обладает вследствие своего движения, а потенциальная энергия определяется взаимодействием тела с другими телами или полями. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.

Поскольку при одномерных колебаниях гармонического осциллятора силу трения не учитывают, то его механическая энергия сохраняется.
Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.

При отклонении маятника на угол  (рис. 183), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:

Поскольку в положении равновесия его потенциальная энергия равна нулю, то кинетическая энергия (а следовательно, и скорость) будет максимальна:

Из закона сохранения механической энергии следует (рис. 184), что

Отсюда найдем максимальную скорость маятника: 

Высоту можно выразить через длину маятника l и амплитуду колебаний А.

Если колебания малы, то Из треугольника KCD на рисунке 184 находим

Отсюда имеем

Подставив выражение для  в формулу (2), получим

Подставляя выражения для в соотношение (1), находим

Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную.

В любом промежуточном положении

Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 185).

В крайних точках, когда скорость равна нулю (v = 0) и кинетическая энергия груза полностью переходит в потенциальную энергию деформированной пружины:

Таким образом, получаем, что механическая энергия гармонического осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

В положении равновесия, когда х = 0, вся энергия осциллятора переходит в кинетическую энергию груза:

где — максимальная скорость при колебаниях.

В промежуточных точках полная энергия равна

Отсюда можно вывести выражение для проекции скорости груза в точке с координатой х:        
    
Так как максимальная скорость

Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс

Как Вам уже известно, механическая энергия одномерного гармонического осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды его колебаний. В любой реальной системе всегда присутствуют силы трения (сопротивления), поэтому механическая энергия системы с течением времени уменьшается, переходя во внутреннюю энергию. Вместе с тем убыль полной энергии означает и уменьшение амплитуды колебаний.

Колебания, происходящие с постоянной во времени амплитудой, называются незатухающими колебаниями.

Примерами таких колебаний служат колебания математического и пружинного маятников, происходящие в отсутствие сил трения.

Колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени вследствие потери энергии колебательной системой, называются затухающими колебаниями (рис. 186, а, б).

Уменьшение механической энергии системы (превращение ее в теплоту) происходит вследствие трения и сопротивления окружающей среды. Такие системы называют диссипативными (от латинского слова dissipation — рассеяние).

При малых потерях энергии колебания можно считать периодическими и пользоваться такими понятиями, как период и частота колебаний. Так, например, период — промежуток времени между двумя последовательными максимумами колеблющейся физической величины (см. рис. 186, а).

Незатухающие колебания, вызванные кратковременным внешним возбуждением, называются свободными или собственными. Они происходят под действием внутренних сил, возникающих в самой системе. Собственные колебания — это колебания, происходящие в отсутствии внешних воздействий на систему, со строго определенной частотой, называемой частотой собственных колебаний системы. Эта частота зависит только от параметров системы. Примерами таких колебаний могут служить колебания математического и пружинного маятников.

Любые собственные колебания в реальной системе рано или поздно затухают. Чтобы колебания не затухали, необходимо воздействие внешней силы. Однако не всякая внешняя сила заставляет систему двигаться периодически. Например, невозможно раскачать качели, если действовать на них с постоянной по модулю и направлению силой. Внешняя сила тоже должна быть периодической.

Колебания тел под действием внешней периодической силы (в частном
случае гармонической силы в общем случае называют вынужденными, а сила называется вынуждающей. Эксперименты показывают, что частота установившихся вынужденных колебаний всегда равна частоте вынуждающей силы.
Амплитуда колебаний и энергия, передаваемая системе за период вынужденных колебаний, зависят от того, насколько различаются частота вынуждающей силы и частота собственных колебаний а также от величины трения в системе.

При вынужденных колебаниях возможно явление, называемое резонансом (от латинского слова resono — откликаюсь, звучу в ответ).
 

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при действии на колебательную систему внешней силы с частотой, совпадающей с собственной частотой системы (рис. 187).

При резонансе создаются оптимальные условия для передачи энергии внешнего источника системе, так как в течение всего периода работа внешней силы источника над системой положительна. Вспомните процесс раскачивания на качелях: если качели толкать с очень большой частотой или с очень малой, их практически невозможно будет раскачать. Если же подбирать частоту толчков, близкую к частоте собственных колебаний качелей, то раскачивание будет эффективным.

Основные формулы:

Гармоническое движение:

Фаза колебаний:

Период колебания:

Циклическая частота

Уравнение гармонических колебаний:

Период колебаний пружинного маятника:

Период колебаний математического маятника:

 

Единицы измерения основных величин колебаний

Колебательное движение и свободные колебания

Колебания — это любой процесс, в котором состояние тела или системы тел со временем повторяются. Колебания являются наиболее распространенной формой движения в природе.

Колебания — это любой процесс, повторяющийся во времени.

Колеблются деревья под действием ветра, поршни двигателя автомобиля под действием продуктов сгорания топлива. Мы можем разговаривать благодаря колебаниям голосовых связок гортани и слышать вследствие колебаний барабанных перепонок. Колебательным является биение сердца. C колебаниями связан и свет, который возникает при колебаниях молекул и атомов. C помощью электромагнитных колебаний, которые распространяются в пространстве, можно осуществлять радиосвязь, радиолокацию, лечить и диагностировать многие болезни.

В приведенных примерах колебаний на первый взгляд мало общего. Но при детальном исследовании приведенных примеров можно найти их общие свойства: различные по происхождению и природе колебания описываются одинаковыми уравнениями, имеют общие характеристики, это существенно облегчает их изучение и исследование.

Колебания бывают периодическими и непериодическими. Первые — это колебания, в которых состояние системы повторяются через одинаковые интервалы времени. В природе такие процессы практически не встречаются, но в теоретических исследованиях эти обобщения дают возможность вести продуктивные исследования.

Колебания, в которых состояние системы повторяется через одинаковые интервалы времени, называются периодическими.

Непериодические колебания не имеют постоянного периода колебаний и являются процессами, в которых состояние системы повторяется через произвольные и, как правило, неодинаковые интервалы времени. Такими, например, являются колебания веток дерева под действием порывов ветра.

Непериодические колебания не имеют постоянного периода колебаний.

Простейшими колебаниями являются так называемые гармонические колебания. Это колебания, в которых основные физические величины, касающиеся колебаний, изменяются по закону синуса или косинуса. Без изучения этих колебаний нельзя изучить более сложные колебания.

Колебания, в которых основные физические величины, касающиеся колебаний, изменяются по закону синуса или косинуса, называются гармоническими.

При изучении колебательных процессов для упрощения измерений и расчетов пользуются замкнутой системой, в которой тела взаимодействуют только в пределах определенной системы. Колебания, происходящие в замкнутой системе, называются свободными.

Примером свободных колебаний являются колебания пружинного маятника.

Если освободить грузик, то он начнет двигаться до.положения равновесия с ускорением . Согласно второму закону Ньютона .

В момент прохождения грузика через положение равновесия его скорость и кинетическая энергия будут максимальными (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Грузик движется влево

Имея определенную кинетическую энергию, грузик по инерции продолжает двигаться дальше (влево), выполняя работу по деформации пружины. Сила упругости, возникающая при этом, направлена к положению равновесия. Когда грузик окажется в крайнем левом положении, на него будет действовать сила упругости, направленная к положению равновесия (вправо). Под действием этой силы грузик начнет ускоренно двигаться до положения равновесия (вправо). Если предположить, что силы трения и сопротивления воздуха ничтожны, то процесс должен продолжаться бесконечно.

Записав совместно формулу второго закона Ньютона и закона Гука, получим уравнение движения грузика:

Отсюда,

В этом уравнении величина всегда положительная, поскольку жесткость пружины и масса грузика не могут быть отрицательными. Поэтому эту величину обозначают символом , a уравнение движения тела па пружине записывают в виде

Общее уравнение колебаний:

Решением этого уравнения является периодическая функция

где А — амплитуда колебаний; (ωt + а) — фаза; — начальная фаза. Поскольку смещение грузика х происходит по закону синуса, то такие колебания являются гармоническими (рис. 3.3).

Кроме смещения по гармоническим законам, изменяются скорость и ускорение движения груза.

Поскольку в реальных условиях в каждой системе действуют силы трения и сопротивления, то амплитуда колебаний будет постепенно уменьшаться (рис. 3.4).

Puc. 3.4. График свободных колебаний

Свободные колебания в реальных условиях всегда затухающие, поскольку в каждой колебательной системе, действуют силы трения. Поэтому каждая следующая амплитуда колебаний будет меньше предыдущей. Если бы удалось создать идеальную систему, в которой не действуют силы трения, то колебания в этой системе были бы незатухающими. Поскольку такие идеализации применяются в физике для исследования колебаний, то частоту незатухающих колебаний в идеальной системе назвали собственной частотой.

Частоту колебаний в идеальной системе, в которой отсутствуют силы трения, называют собственной частотой.

Пример №3

Определить период колебаний грузика, который имеет массу 100 г и подвешен к пружине, коэффициент упругости которой 10 Н/м.

Дано: m — 100 г, k = 10 Н/м.	Решение Для расчета периода колебаний пружинного маятника применяют формулу Подставив в эту формулу значения физических величин, получим
T — ?

Ответ: период колебаний пружинного маятника равен 0,628 с.

• Заказать решение задач по физике

Колебательное движение и вынужденные колебания

Во многих технологических процессах происходят колебания, которые должны быть долговременными.

Поэтому создают условия для получения незатухающих колебаний. C этой целью в технических установках применяют вынужденные колебания. Это колебания, происходящие под действием внешней силы, которая периодически изменяется. Такими, например, являются колебания поршней в автомобильном двигателе, происходящие вследствие периодического действия газа во время рабочего хода поршня.

Вынужденными колебаниями является и переменный ток. который возникает в рамке, вращающейся в магнитном поле.

Частота вынужденных колебаний определяется частотой действия вынуждающей силы.
Регулируя подачу горючего в цилиндр, можно изменять частоту колебаний поршней. Частота переменного тока определяется скоростью вращения ротора турбины.

Особый интерес представляет случай, когда периодическая внешняя сила, действует па тело, которое может совершать свободные колебания.

Если в начальный момент тело было неподвижным, то после начала действия периодической силы оно начинает колебаться со все возрастающей амплитудой. Через некоторое время амплитуда устанавливается постоянной и в дальнейшем не возрастает.

Это происходит потому, что вся энергия, приходящая в колебательную систему, идет на выполнение работы по преодолению сил трения в системе. Если изменять частоту вынуждающей силы, то можно обнаружить явление резонанса. При частоте, равной собственной частоте колебаний системы, резко возрастает амплитуда. Сильно раскачать качели можно только в том случае, если подталкивать их будем «в такт» с частотой собственных колебаний качели. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебании называют резонансом.

Резонанс наступает тогда, когда частота действия вынуждающей силы будет равна собственной частоте колебаний системы.
f_вын=f_соб

После повышения частоты выше резонансной амплитуда начнет убывать. Для каждой колебательной системы существует определенная частота, при которой наступает резонанс.

На рисунке 3.7 показана графическая зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы. Высота резонансной кривой, изображенной на этом рисунке, зависит от значения сил трения в колебательных системах. Так. график показывает, что резонансные частоты в трех колебательных системах одинаковые, но силы трения будут различными. Выше кривая меньше силы трения.

Рис. 3.7. Резонансные кривые для разных значений силы трения

C явлением резонанса мы встречаемся довольно часто и в быту, и в технике. Действие этого явления может быть как полезным, так и вредным. Так, чтобы выехать из лужи или песка, водитель с определенной частотой включает и выключает сцепление, раскачивая автомобиль. Увеличение амплитуды колебаний автомобиля содействует его выезду из выбоины.

Достоянием истории стала катастрофа с Бруклинским мостом в Нью-Йорке, который разрушился вследствие резонанса.

Колебательное движение и математический маятник

Одной из систем, которые могут совершать колебания, является нитяный маятник. Ото тело небольших размеров, подвешенное на длинной нерастяжёной нити. Выведенная из положения равновесия, эта система может совершать колебания.

Рассмотрим причины, вызывающие колебания в этой системе. Для удобства расчетов будем считать, что тело имеет размеры, намного меньшие длины нити, а отклонение от равновесия — небольшое. Маятник с такими ограничениями называют математическим.

Рассмотрим его более подробно.

Если система будет в равновесии, то на маятник будут действовать только сила тяжести и сила упругости нити. Их равнодействующая будет равна нулю (рис. 3.8). Естественно, что в таком случае шарик не будет двигаться.

Рис. 3.8.Нитяный (математический) маятник в положении равновесия

Если груз вывести из положения равновесия, то равнодействующая F сил тяжести и упругости уже будет отличной от нуля (рис. 3.9).

Pиc. 3.9. Равнодействующая сил тяжести и упругости направлена к положению равновесия

Значение равнодействующей определим по рисунку на основании анализа параллелограмма сил:

При малом угле отклонения , где l — длина подвеса; х -смещение тела от положения равновесия.

Применим к описанию движения математического маятника второй закон Ньютона с учетом, что смещение груза направлено в сторону» противоположную равнодействующей:

Отсюда

Величина всегда положительная. Поэтому ее можно обозначить . Тогда уравнение движения математического маятника будет иметь вид: .

Математический маятник совершает гармонические колебания по уравнению, решением которого является функция: х = Аsin(ωt + а).

Из курса математики известно, что решением этого уравнения является функция х =Asin(ωt + а). Поскольку эта функция гармоническая, то и колебания математического маятника называют гармоническими.

По уравнению движения математического маятника можно найти формулу для расчета периода и частоты колебаний математического маятника. Для этого будем учитывать, что величина, обозначенная какω₀, является угловой частотой и равна  . Здесь f — частота колебаний, T — период колебаний. Из уравнения движения получим . Или, подставив значение угловой частоты: . Отсюда 

Таким образом, период колебаний математического маятника зависит от длины подвеса и ускорения свободного падения.

Период колебаний математического маятника зависит от длины подвеса и ускорения свободного падения:

Зависимость частоты колебаний математического маятника находят из соотношения

, 

Пример №4

Маятник длиной 150 см за 300 с совершает 122 колебания. Чему равно ускорение свободного падения?

Дано: l — 150 см, t — 300 с, N = 122.	Решение При такой длине маятник можно считать математическим. Связь между параметрами математического маятника устанавливает формула для периода колебаний
g -?

Согласно этой формуле 

Если учесть, что  а  то получим 

Подставив значения физических величин, получим

Ответ: ускорение свободного падения в этом случае составляет 9,78 .

Энергия колебательного движения

В механике различают кинетическую и потенциальную энергии. Кинетическая энергия определяется массой тела и его скоростью.

Потенциальную энергию тела в поле земного тяготения определяют по формуле E_n = mgh, потенциальную энергию упруго деформированного тела (например, пружины) по формуле .

Если внимательно рассмотреть движение грузика на пружине (см. рис. 3.1 и 3.2), то здесь периодически будут изменяться как скорость тела, так и сила упругости пружины. Таким образом, периодически будут изменяться как кинетическая, так и потенциальная энергии. Кинетическая энергия будет максимальной в момент прохождения телом положения равновесия, когда его скорость будет максимальной. Потенциальная энергия приобретет максимальное значение через четверть периода, кода будет максимальным отклонение от положения равновесия.

До сих пор мы рассматривали случаи колебаний, пренебрегая потерями механической энергии. Для этого случая действует закон сохранения механической энергии:

Соответственно этому закону максимальное значение потенциальной энергии будет при максимальном отклонении, когда кинетическая энергия (и скорость) равна нулю:

где А — максимальное отклонение тела от положения равновесия (амплитуда).

Если потери механической энергии в системе отсутствуют, то

Из последнего уравнения можно рассчитать скорость, с которой тело проходит положение равновесия.

Колебательное движение  и механические волны

Колебания как процесс могут распространяться в пространстве. Для подтверждения этого подвесим на нити, закрепленной в штативе, несколько маятников и один из них приведем в колебательное движение (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Маятники на нити

Спустя некоторое время все маятники будут совершать колебания. Таким образом, механические колебания могут предаваться от одного тела к другому через упругие связи. Подобное происходит и в природе.

Если бросить камень в воду озера, то можно увидеть, как от него во все стороны распространяются круги-волны, в которых частицы воды колеблются в вертикальном направлении. Поплавок, плавающий рядом с точкой попадания камня, будет совершать только вертикальные колебания, не смещаясь в сторону. В данном случае происходит весьма сложный процесс. C одной стороны, частицы воды совершают колебания, перемещаясь в вертикальном направлении, а с другой — колебания распространяются в горизонтальном направлении. Но смещения частиц воды в горизонтальном направлении не происходит. Поэтому поплавок на воде хотя и колеблется, но к берегу не приближается.

Распространяются только колебания частиц воды — волны. Процесс распространения колебаний в упругой среде называют механической волной.

Как и любое другое физическое явление, волна имеет свои определенные характеристики.

Одной из величин, характеризующих волну, является скорость волны. Все известные науке волны распространяются не мгновенно, а на протяжении определенного времени, с определенной скоростью.
Каков же механизм образования волн?

Волна — процесс распространения колебаний.

Проанализировав рассмотренные ранее примеры, можно отметить, что механическая волна распространяется в упругой среде. Для того чтобы представить процесс распространения волны в упругой среде, промоделируем его с помощью шариков некоторой массы, соединенных между собой пружинками (рис. 3.12-а). Если сообщить определенный импульс левому крайнему шарику (рис. 3.12-б), то он начнет движение вверх, растягивая пружинку. Вследствие этого на второй шарик начнет действовать сила упругости растянутой пружинки, которая будет смещать шарик в том же направлении. Проявление инерции задержит движение второго  шарика, который будет отставать от первого шарика (рис. 3.12-в).

Если первому шарику придать импульс, направленный вдоль прямой, соединяющей оси шариков, то цепочкой распространится продольная волна. Ее можно наблюдать на длинной горизонтальной пружине, одним концом закрепленной на стене (рис. 3.13): после удара по торцу пружины образуются сгустки и разрежения витков, которые будут двигаться вдоль пружины как продольная волна.

Pиc. 3.13. Распространение продольной волны

Если повторить модельный опыт образования волны в цепочке из пружинок и шариков (рис. 3.12), то можно заметить, что когда первый шарик проходит положение равновесия и движется вверх, то на определенном расстоянии от него существует шарик, который, проходя положение равновесия, также движется вверх, т. е. колебания совершаются в одной фазе.

Расстояние между двумя соседними точками волны, которые колеблются в одинаковой фазе, называют длиной волны (рис. 3.14). Например, это расстояние между двумя гребнями волны, образовавшейся от брошенного в воду камня. Длина волны обозначается буквой греческого алфавита λ (лямбда).

Puc. 3.14. Расстояние между двумя соседними точками волны. колеблющимися водной фазе

За один период она распространяется на расстояние, равное длине волны, Поэтому скорость распространения волны можно определить через эти величины:

Отсюда λ = υT. 

Длина волны равна произведению скорости распространения на период: λ = υT. 

Так как период связан с частотой формулой 

Возможно иное определение длины волны: это расстояние, на которое распространяется волна за один период.

Длина волны является универсальной характеристикой для волновых процессов различной природы.

Пример №5

Лодка качается на волнах, распространяющихся со щ скоростью 2,5 м/с. Расстояние между гребнями волн 2,5 м. Найти период колебаний лодки.

Отсюда
 

Подставив значения физических величин, получим

Oтвет: период колебания лодки 3,2 с.

Колебательное движение и звуковые волны

Звук сопровождает человека на протяжении всей жизни. Он является основным средством общения между людьми, его используют в различных технологических процессах. Как вы знаете, источником звука является колеблющееся тело. Колеблются ножки камертона, излучая звук определенного тона, диффузор громкоговорителя, воссоздавая голос человека или звучание музыкального инструмента. Распространение этих колебаний и воспринимается нами как звук.

Звук является продольной волной, которая распространяется только в упругой среде, в частности в воздухе, воде, металлах, дереве, пластмассе и т. п.

Роль воздуха в распространении звука впервые была раскрыта в 1660 г. английским физиком Р. Бойлем, который открыл, что под колпаком вакуумного насоса, если из-под него выкачан воздух, звук не распространяется.

Звук начали исследовать очень давно. Поэтому для его характеристики применяют специфические величины. Так, высота тона, о которой говорят музыканты, обозначает частоту колебаний: чем больше частота, тем выше тон. Громкость звука связана с амплитудой колебаний: чем больше амплитуда, тем громче звук.

Звуковые волны имеют свойство отражаться от препятствий. Если звуковая волна падает на сплошное препятствие (стену, гору), то она отражается, и мы слышим эхо. Свойство отражаться используют инженеры создавая приборы для определения глубины воды под днищем корабля. Его назвали эхолотом, или эхолокатором (рис. 3.15).

Puc. 3.15. Схема объясняющая принцип действия эхолокатора

Излучатель посылает узкий импульсный пучок звуковых волн в сторону дна, я специальный микрофон улавливает отраженный сигнал. Измеряя интервал времени между посылкой и приемом сигнала, специальная аппаратура определяет расстояние до дна.

Человек слышит .звук только в определенном диапазоне частот. Считается, что человеческое ухо чувствительно к колебаниям частотой от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой свыше 20 кГц называют ультразвуковыми^ а с частотой меньше 20 Гц — инфразвуковыми. Ни одни ни другие звуки человек не слышит. Но свойства этих волн используют в различных приборах и устройствах. Так, ультразвук применяют для стерилизации продуктов питания, очистки поверхности металлов и пластмасс от загрязнений, медицинских инструментов и приборов, пе выдерживающих высоких температур. В медицине используют ультразвуковые аппараты для исследований внутренних органов. Последнее время применяется ультразвуковой хирургический инструмент, позволяющий проводить бескровные операции.

Инфразвуки н целом отрицательно действуют на живой организм. Поэтому необходимо устранять их источники или применять профилактические меры безопасности. Так, на производствах, где производственные технологии связаны с применением мощных низкочастотных колебаний, используют различные средства изоляции рабочих от их воздействия. Например, известны случаи, когда установка нового мощного вентилятора не повысила производительности труда рабочих, а наоборот, повысила их утомляемость.

Колебательный контур и возникновение электромагнитных колебаний в колебательном контуре

Кроме механических колебаний, н природе существуют электромагнитные колебания. Они возникают в системе, которая называется колебательным контуром. Это электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных между собой параллельно (рис. 3.16).

Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из параллельно соединенных катушки индуктивности и конденсатора.

Pиc. 3.16. Cxerna колебательного контура

Обычно сопротивление проводников в такой цепи незначительно. Для получения колебаний в колебательном контуре сначала заряжают конденсатор, сообщая ему заряд Q₀. Тогда в начальный момент времени между обкладками конденсатора возникает электрическое поле. Полная энергия контура в это время равна энергии заряженного конденсатора:

где Q₀ — заряд конденсатора; C — его электроемкость.

При замыкании ключа конденсатор начинает разряжаться и в контуре возникает возрастающий по значению ток. Вследствие разряда конденсатора энергия электрического поля уменьшается; она превращается в энергию магнитного поля катушки, по которой проходит ток I:

где I — сила тока; L — индуктивность катушки.

В идеальном колебательном контуре полная энергия сохраняется и остается равной энергии электрического поля конденсатора после его зарядки. В любой произвольный момент времени она равна сумме энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки:

В момент времени, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля становится равной нулю, а энергия магнитного поля достигает максимального значения:

После этого сила тока в контуре начинает уменьшаться, Уменьшается и магнитный поток. По закону электромагнитной индукции, изменению тока противодействует ЭДC самоиндукции, которая возникает при изменении магнитного потока. Поэтому конденсатор начинает перезаряжаться, и между его обкладками Снова возникает электрическое поле.

Когда перезарядка прекратится, на обкладках конденсатора будет заряд, равен первоначальному, по с противоположным знаком.

В дальнейшем процесс повторяется, но в обратном направлении. Через определенное время система возвращается в первоначальное положение, и начинается самопроизвольный цикл периодической зарядки и перезарядки конденсатора че-     рез катушку. При отсутствии потерь па нагревание проводников и излучение колебания в колебательном контуре будут незатухающими.

В реальных условиях колебания в колебательном контуре будут затухающими. Поэтому их нужно считать свободными. Их период и частота зависят от параметров колебательного контура емкости конденсатора и индуктивности катушки. Выдающийся английский физик В. Томсон установил, что

Уильям (Кельвин) Томсон (1824-1907) — выдающийся английский физик. Его научные труды касаются многих вопросов физики, математики и техники. Он широко применял термодинамический метод для объяснения физических явлений; продуктивно работал в области изучения электрических и магнитных явлений: известны его работы по теплопроводимости.

Если колебательный контур включить в электрическую цепь переменного тока, то в нем возникнут вынужденные колебания, частота которых будет равна частоте переменного тока. Их амплитуда будет зависеть от сопротивления проводников контура и от соотношения между частотой переменного тока и собственной частотой контура. В случае совпадения этих частот в контуре будут возникать колебания, амплитуда которых резко возрастает. Таким образом, в колебательном контуре будет появляться резонанс. Это явление используют в радиоприемниках, когда с помощью настройки контура на определенную частоту’ принимают сигналы определенной станции. Изменяя индуктивность катушки или емкость конденсатора, мы изменяем собственную частоту контура. Если собственная частота контура совпадает с частотой определенного сигнала, в контуре, благодаря резонансу, возникает значительный ток, который передается в специальное устройство для дальнейшего усиления и обработки.

Образование электромагнитных волн

Электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. В них происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей, которые вместе образуют электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.

Процесс распространения электромагнитных колебаний называется электромагнитной волной.

Для образования электромагнитных волн, как и волн любой природы, необходимо иметь систему, в которой возникают электромагнитные колебания. Для электромагнитных колебаний такой системой будет колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности.

Современные электронные системы позволяют поддерживать в нем незатухающие колебания на протяжении длительного времени, что в свою очередь создает условия для длительного излучения электромагнитных волн. По этому принципу работают вещательные радиостанции, телевидение и другие средства связи.

Однако сам по себе колебательный контур не может излучать электромагнитные волны, поскольку электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора и вне контура не проявляется.

Переменные магнитные поля сосредоточены в основном внутри катушки и не распространяются за пределы контура. Исследования показали, что электромагнитные волны могут излучаться в пространство только открытым колебательным контуром, который в простейшем виде состоит из двух линейных проводников, связанных друг с другом катушкой индуктивности (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Открытый колебательный контур

Для возбуждения электромагнитных колебаний в открытом контуре существуют различные способы. Наиболее распространенный из них  способ, когда катушка индуктивности открытого контура образует индуктивную связь с контуром генератора незатухающих колебаний (рис. 3.18).

Рис. 3.17. Связь открытого контура с контуром генератора

Благодаря электромагнитной индукции в катушке открытого колебательного контура L_e появляется переменная ЭДС, возбуждающая в проводниках переменный ток. Поскольку электроны, образующие переменный ток в проводниках, движутся ускоренно, то проводники открытого колебательного контура имеют переменное электромагнитное ноле.

Открытый колебательный контур, в котором происходят электромагнитные колебания, имеет переменные магнитное и электрическое поля. Так, переменное электрическое поле открытого колебательного контура индуцирует «собственное» переменное магнитное поле.

Переменное электрическое поле открытого колебательного контура будет индуцировать «собственное» переменное магнитное поле.

Индуцированное переменное мигни гное поле, в свою очередь, будет возбуждать индуцированное электрическое поле.

Таким образом, индукционные процессы будут охватывать все новые и новые точки, а обрадовавшееся
электромагнитное поле будет распространяться в пространстве. На расстоянии нескольких длин волны от открытого колебательного контура в пространстве уже будет распространяться единая электромагнитная волна, в которой будут происходить взаимообусловленные одновременные изменения электрического и магнитного полей — составляющих электромагнитного поля.

Графически электромагнитную волну можно изобразить в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 3.19).

Puc. 3.19. Графическое изображение электромагнитные волны

Этот рисунок показывает существующую зависимость значений векторов напряженности электрического поля E и магнитной индукции В от расстояния в направлении распространения волны. По направлению эти векторы органически связаны между собой и с вектором скорости распространения волны . Их колебания происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, причем вектор скорости всегда перпендикулярен к плоскости колебаний векторов E и В, а его направление определяется по правилу правого винта.

Если правый винт вращать в направлении от вектора E к вектору В кратчайшим путем, то его поступательное движение покажет направление вектора скорости

Аналитически колебательный процесс, которым является электромагнитная волна, представляется двумя уравнениями для модулей векторов Е и В:

где B₀и E₀ — амплитуды волны; t — время наблюдения; циклическая частота.

Таким образом, распространение электромагнитных волн происходит как возбуждение связанных между собой электрического и магнитного переменных полей в направлении, определяемом по правилу правого винта.

Шкала электромагнитных излучений

Во время исследований, длительное время проводившихся учеными, не обнаружили каких-либо ограничений относительно частоты или длины электромагнитного излучения. Т. е. нет смысла вести речь о самой короткой или самой длинной волне, ограничивая диапазон электромагнитных волн. Речь может быть лишь об определенном диапазоне воли, открытых и исследованных современной наукой.

Для наглядного представления о разнообразии электромагнитных излучений и зависимости их свойств от длины волны составлена шкала, один из вариантов которой представлен на форзаце. Они расположены по определенным условным диапазонам, не имеющим четких границ: низкочастотные волны, радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Такое деление произведено с учетом природы их возникновения и особенностей взаимодействия с веществом. Например, если радиоволны образуются электромагнитными колебаниями, возбуждаемыми в колебательном контуре определенной емкости и индуктивности, чем и определяется длина волны, то гамма-излучение возникает как следствие ядерных процессов, связанных с радиоактивным распадом.

Существуют также отличия и во взаимодействии электромагнитных волн с веществом и в особенностях распространения в пространстве. Если видимый свет полностью поглощается топким слоем бумаги, то рентгеновское и гамма-излучения могут проникать не только через человеческое тело, но и через металлы.

Рассмотрим шкалу электромагнитного излучения подробнее.

Низкочастотное излучение возникает в результате работы различных электротехнических устройств и приборов, в которых используется переменный ток низкой частоты. Оно имеет низкую энергию и до сих пор не нашло практического применения ни в информационных, ни в энергетических технологиях.

Радиоволны разделены на диапазоны длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Поводом для такого деления послужили особенности их распространения.

В широком диапазоне радиоволны делятся на длинные, средние, короткие и ультракороткие.

Инфракрасное излучение называют также тепловым, так как оно наблюдается у всех нагретых тел.

В широком понимании оптический диапазон охватывает инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Инфракрасное излучение лежит за пределами восприятия глазом волн, длина которых больше 760 нм и простилается к 0,1 мм. Их излучают все нагретые тела, благодаря чему мы ощущаем теплоту. При повышении температуры длина волны, на которую приходится максимум излучения, смещается в область более коротких волн. Инфракрасное излучение слабо поглощается воздухом и хорошо отражается от поверхности твердых тел. Это их свойство применяют в приборах «ночного видения».

Видимый свет — это тот диапазон волн, который воспринимается человеческим глазом. Установлено, что он довольно узкий, от 380 им до 760 нм. Волны различной длины этого диапазона воспринимаются как свет различных цветов. Свойства света очень разнообразны, многие из них станут вам понятны только после изучения последующих параграфов.

Со стороны коротковолновой части диапазона видимых волн находится диапазон ультрафиолетового излучения, которое не воспринимается человеческим глазом. Вместе с тем, взаимодействуя с веществом, это излучение может вызывать излучение видимого света. Нм этом основан метод неразрушающего анализа вещества, когда по цвету излучения определяют наличие тех или иных веществ в смеси. Широко известен способ применения ультрафиолетового излучения для выявления фальшивых денежных купюр.

Ультрафиолетовое излучение практически полностью поглощается обычным оконным стеклом.

Ультрафиолетовое излучение имеет сильное бактерицидное действие, его широко применяют для стерилизации, медицинских инструментов, различных медицинских материалов. Невозможно представить больничную палату без ламп, излучающих ультрафиолетовый свет.

Вместе с тем ультрафиолетовое излучение может отрицательно воздействовать на человеческий организм, попадая на кожу или слизистую оболочку. Оно вызывает ожоги, которые плохо поддаются лечению. 

Рентгеновское излучение известно многим из нас как средство медицинского исследования организма. Впервые его получил и исследовал известный физик, украинец по происхождению И. Пулюй (1845-1918). Но случилось так, что первым сообщил об открытии немецкий физик В. Рентген (1845-1928). За это открытие ему позднее была присуждена Нобелевская премия в области физики.

Рентгеновское излучение имеет высокую проницательную способность, оно может проникать сквозь толстые слои вещества и даже металлов. Его используют в промышленности для выявления внутренних дефектов металлических изделий, в медицине для исследования внутренних органон человека, в научных исследованиях строения вещества.

Следующий диапазон — гамма-излучение — относится к ядерным процессам и связан с процессами, происходящими в атомных ядрах.

Радиоволны

Радиоволны принадлежат к диапазону электромагнитных ноли длиной от нескольких километров до нескольких десятков километров. В высокочастотной области диапазона радиоволны плавно переходят в инфракрасное излучение, хотя четкая граница не установлена. В своей низкочастотной части диапазона радиоволны граничат с низкочастотным излучением, которое образуется при работе электротехнических устройств, использующих переменный ток низкой частоты.

Радиоволны имеют четыре диапазона: длинные (λ = 10⁴… 10³ м), средние (λ = 10³…10₂ м), короткие (λ =10²,.. 10 м) и ультракороткие (λ

В науке и радиотехнике радиоволны делятся на четыре диапазона: длинные (10⁴…10³ м), средние (10³-10² м), короткие (10²…10 м) и ультракороткие (

Волны каждой части диапазона имеют свои особенности. Так, длинные и средние волны преломляются и дифрагируют в атмосфере, вследствие чего они огибают поверхность земного шара (рис. 3.20). Но для этого радиопередатчики должны иметь очень большую мощность, а передающие антенны большие размеры. Да и количество станций, работающих в этом диапазоне без взаимных помех, не может быть очень большим. Поэтому для дальней связи длинные волны практически не применяются.

Рис. 3.20. Длинные и средние волны огибают земную поверхность

Для дальней связи чаще всего применяются короткие волны, они хотя и не огибают земной шар, но отражаются от. ионизированного слоя атмосферы (ионосферы), как от зеркала. После многократного отражения от этого слоя и от поверхности Земли короткие волны могут распространяться по всему земному шару (рис. 3.21). Но высота и плотность ионизированного слоя на протяжении года ощутимо изменяются, поэтому связь на коротких волнах неустойчива и в последнее время применяется редко.

Ультракороткие волны в земных условиях распространяются в пределах «прямой видимости», практически не преломляясь. Высокая частота этих радиоволн позволяет применять частотную модуляцию, которая обеспечивает высокое качество связи. Кроме того, в этом диапазоне можно использовать много радиопередатчиков, поскольку их частотный диапазон довольно плотный.

Ультракороткие волны оказались весьма удобными для связи с космическими аппаратами (рис. 3.22), поскольку они свободно проходят сквозь ионосферу.

В земных условиях для обеспечения дальней связи с использованием ультракоротких волн применяют специальные ретрансляционные станции (рис. 3.23). Находясь на расстоянии прямой видимости, они принимают сигналы от одной станции и передают их другой. По этому принципу работает, в частности, система мобильной связи.

Ультракороткие волны используются и в системах космической связи, работающей с использованием ретрансляторов па специальных космических аппаратах.

Итоги:

1.    Колебания — это наиболее распространенная форма движения в природе. Главным условием их возникновения является возникновение внешнего фактора, благодаря которому движение повторяется.
Колебания бывают периодическими и непериодическими. В периодических колебаниях движение повторяется через одинаковые интервалы времени.

2.    Колебания, возникающие в замкнутых системах, называются свободными. В реальных условиях свободные колебания затухают. В идеальных системах, в которых отсутствуют потери энергии, возникают незатухающие колебания. Их называют собственными.

3.    Период колебаний математического маятника зависит от его длины и ускорения свободного падения:

Период колебаний пружинного маятника зависит от массы груза и жесткости пружины:

Период колебаний математического маятника не зависит от массы и амплитуды.

4.    Свободные колебания происходят по закону синуса или косинуса. Такие колебания называются гармоническими. Например: х = Asin(ωt+α), где А — амплитуда колебаний, ω -циклическая частота, a — начальная фаза, t — время.

5.    Если на колебательную систему действует периодическая вынуждающая сила, то в системе возникают вынужденные колебания. Частота вынужденных колебаний равна частоте нынужданнцей силы. Если частота вынуждающей силы равна собственной частоте колебательной системы, то возникает резонанс — резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Примером вынужденных колебаний является раскачивание качелей.

6.    Распространение колебаний в упругой среде называют волновым процессом, или механической волной. Волна переносит энергию. Волны бывают продольными и поперечными.
Универсальной характеристикой волнового процесса любой природы является длина волны. Это расстояние между двумя соседними точками волны, которые колеблются в одной фазе.
За один период волна распространяется на расстояние, равное длине волны.

7.    Свободные электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора. Они затухают вследствие потерь энергии на нагревание проводников и излучение электромагнитных волн. При отсутствии этих потерь колебания в колебательном контуре будут происходить бесконечно долго. Эти колебания будут собственными колебаниями. Период собственных колебаний в колебательном контуре определяется по формуле Томсона: 

8.    В электрической цепи может возникать переменный ток как вынужденные колебания. Простейшим способом получения переменного тока является вращение рамки в магнитном поле или изменение магнитной индукции (вращение электромагнита) возле определенным способом расположенных катушек.

9.    Электромагнитная волна — это переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью спета. Электромагнитная волна имеет энергию. Во всех процессах, которые происходят в электромагнитной волне, выполняется закон сохранения энергии.

10.    Все известные электромагнитные волны по длине волны или по частоте условно распределены по отдельным диапазонам: низкочастотное излучение (длина волны свыше 103 м), радиоволны, которые также разделяются на поддиапазоны, с длиной волны от нескольких сантиметров (ультракороткие волны) до 10⁴ м (длинные волны); инфракрасное излучение, длина волны которого лежит в пределах от 0,1 мм до 760 нм; видимый свет с длиной волны от 380 до 760 пм; ультрафиолетовое излучение, длина волны которого лежит в пределах от фиолетовой части видимого света до нескольких нанометров; рентгеновское излучение в диапазоне длин волн от 10^-8 до 10^-11 м; гамма-излучение, имеющее длину волны меньше 10^-11 м.

Справочный материал по колебательному движению

Еще в древности люди, наблюдая за Солнцем и Луной, определили единицы времени: год, месяц, сутки и др. Были созданы солнечные часы, затем водяные, огневые, песочные. Однако настоящая революция в конструкции часов произошла после выяснения свойств колебательного движения.

Подвесим груз на нить, отклоним его от положения равновесия и отпустим. Груз начнет колебаться, то есть двигаться от одного крайнего положения к другому, повторяя это движение через некоторый интервал времени. Таким образом, колебательное движение имеет важную общую черту с равномерным движением по окружности: оба движения являются периодическими (рис. 13.1).

Изучаем маятники:

Груз, колеблющийся на нити или на пружине, — пример простейшего маятника.

Маятник — это твердое тело, которое совершает колебания вследствие притяжения к Земле или в результате действия пружины. Маятники используют во многих физических приборах. Особенно важным является использование маятников в часах: периодичность колебаний дает возможность осуществлять отсчет времени. Маятники, колеблющиеся благодаря действию пружины, называют пружинными маятниками (рис. 13.2). Колебания пружинного маятника зависят от свойств пружины и мас­сы тела. Маятники, колеблющиеся благодаря притяжению к Земле, называют физическими маятниками (рис. 13.3). Их колебания достаточно сложны, поскольку зависят от массы, геометрических размеров, формы маятника и т. д. Чтобы размеры и форма тела не влияли на его колебания, нужно взять нить, длина которой достаточно велика по сравнению с размерами тела, — в таком случае тело можно считать материальной точкой. При этом нить должна быть легкой и довольно тонкой, а чтобы во время колебаний тело было на неизменном расстоянии от точки подвеса, — нерастяжимой. Небольшой металлический шарик диаметром 1–2 см, подвешенный на тонкой нерастяжимой нити длиной 1–2 м, вполне может служить маятником, на колебания которого не будут влиять размеры, масса тела и свойства нити (рис. 13.4)*. Такой маятник называют нитяным.

Что такое амплитуда колебаний

Наблюдая за колебаниями маятника, нетрудно заметить, что есть определенное максимальное расстояние, на которое колеблющееся тело удаляется от положения равновесия. Это расстояние называют амплитудой колебаний (рис. 13.5).

Амплитуда колебаний — это физическая величина, равная максимальному расстоянию, на которое отклоняется тело от положения равновесия во время колебаний. Амплитуду колебаний обозначают символом A. Единица амплитуды колебаний в СИ — метр: [A]= м. За одно колебание тело проходит путь который примерно равен четырем амплитудам: 4 Определяем период и частоту колебаний

Колебательное движение является периодическим движением, поэтому оно характеризуется такими физическими величинами, как период колебаний и частота колебаний.

В данном случае длина нити считается также длиной маятника.

В случае с нитяным маятником данное равенство является приблизительным, так как тело движется по дуге окружности, длина которой больше расстояния, называемого амплитудой колебаний. Но если амплитуда колебаний мала (намного меньше длины маятника), этим различием обычно пренебрегают.

Период колебаний — это физическая величина, равная времени, за которое происходит одно колебание. Период колебаний, как и период равномерного движения по окружности, обозначают символом T и вычисляют по формуле: , где t — время наблюдения; N — количество колебаний за это время. Единица периода колебаний в СИ — секунда: [T]= с.

Частота колебаний — это физическая величина, которая равна количеству колебаний за единицу времени. Частоту колебаний обозначают символом ν («ню») и вычисляют по формуле: Единица частоты колебаний в СИ — герц ( Г ц ) ; названа так в честь Генриха Герца (рис. 13.6). Если тело за одну секунду осуществляет одно колебание, то частота его колебаний равна одному герцу: Частота ν и период T колебаний — взаимно обратные величины: У маятников есть очень важное свойство: если амплитуда колебаний маятника намного меньше его длины, то частота и период колебаний маятника не зависят от амплитуды колебаний. Это свойство малых колебаний открыл Галилео Галилей*, и именно оно лежит в основе работы механических часов.

Различия затухающих от незатухающих колебаний

Выведем качели из состояния равновесия и отпустим. Качели начнут колебаться. Такие колебания называют свободными. Если на качели не влиять, то через некоторое время амплитуда их колебаний заметно уменьшится, а со временем колебания прекратятся вовсе. Колебания, амплитуда которых со временем уменьшается, называют затухающими колебаниями.

Свободные колебания всегда являются затухающими. Затухают с течением времени свободные колебания языка колокола, струны гитары, ветки дерева… Что следует сделать, чтобы амплитуда колебаний качелей со временем не уменьшалась, то есть чтобы их колебания были незатухающими? Незатухающие колебания — это колебания, амплитуда которых не изменяется со временем. Незатухающие колебания осуществляет, например, игла швейной машины, пока работает ее механизм (рис. 13.7).

Пример №6

Небольшой тяжелый шарик, подвешенный на нерастяжимой нити длиной 1 м, отклонили от положения равновесия и отпустили. За 30 с шарик совершил 15 колебаний. Какое расстояние пройдет шарик за 36 с, если амплитуда его колебаний — 5 см? Колебания считайте незатухающими. Анализ физической проблемы. Амплитуда колебаний намного меньше длины нити, поэтому можно считать, что за одно колебание шарик проходит путь, равный четырем амплитудам (4A). Если определить количество колебаний за 36 с, то можно найти расстояние, которое прошел шарик. Количество колебаний найдем, определив время одного колебания, то есть период колебаний.

Дано:

,,,.

Найти:

Решение:

Найдем период колебаний:

Найдем количество колебаний за 36 с:

Определим расстояние, которое проходит шарик за одно колебание:

Определим путь, который пройдет шарик за 36 с:

Анализ результатов. За одно колебание шарик проходит 20 см; время колебаний больше периода колебаний, поэтому пройденное шариком расстояние будет больше 20 см. Следовательно, результат правдоподобен.

Ответ:

Итоги:

Колебательное движение (колебания) — периодическое движение. Различают затухающие и незатухающие колебания. Амплитуда А колебаний — это физическая величина, равная максимальному расстоянию, на которое тело отклоняется от положения равновесия во время колебаний. Период Т колебаний — это физическая величина, равная времени, за которое происходит одно колебание: . Единица периода колебаний в СИ — секунда (с). Частота ν колебаний — это физическая величина, равная количеству колебаний за единицу времени: . Единица частоты колебаний в СИ — герц (Гц). Частота и период колебаний — взаимно обратные величины:

«Механическое движение»:

Вы изучали механическое движение и его характеристики, узнали о видах механического движения: прямолинейное движение, движение по окружности, колебательное движение.

Вы ознакомились с некоторыми основными понятиями механики.

Вы научились различать виды механического движения.

Вы научились исследовать равномерное движение с помощью графиков пути и графиков скорости движения.

Вы исследовали некоторые механические движения.

Чтобы описать колебательные процессы и отличить одни колебания от других, используют 6 характеристик. Они называются так (рис. 1):

• амплитуда,
• период,
• частота,
• циклическая частота,
• фаза,
• начальная фаза.

Такие величины, как амплитуду и период, можно определить по графику колебаний.

Начальную фазу, так же, определяют по графику, с помощью интервала времени (large Delta t), на который относительно нуля сдвигается начало ближайшего периода.

Частоту и циклическую частоту вычисляют из найденного по графику периода, по формулам. Они находятся ниже в тексте этой статьи.

А фазу определяют с помощью формулы, в которую входит интересующий нас момент времени t колебаний. Читайте далее.

Что такое амплитуда

Амплитуда – это наибольшее отклонение величины от равновесия, то есть, максимальное значение колеблющейся величины.

Измеряют в тех же единицах, в которых измерена колеблющаяся величина. К примеру, когда рассматривают механические колебания, в которых изменяется координата, амплитуду измеряют в метрах.

В случае электрических колебаний, в которых изменяется заряд, ее измеряют в Кулонах. Если колеблется ток – то в Амперах, а если – напряжение, то в Вольтах.

Часто обозначают ее, приписывая к букве, обозначающей амплитуду индекс «0» снизу.

К примеру, пусть колеблется величина ( large x ). Тогда символом ( large x_{0} ) обозначают амплитуду колебаний этой величины.

Иногда для обозначения амплитуды используют большую латинскую букву A, так как это первая буква английского слова «amplitude».

С помощью графика амплитуду можно определить так (рис. 2):

Что такое период

Когда колебания повторяются точно, изменяющаяся величина принимает одни и те же значения через одинаковые кусочки времени. Такой кусочек времени называют периодом.

Обозначают его обычно большой латинской буквой «T» и измеряют в секундах.

( large T left( c right) ) – период колебаний.

Одна секунда – достаточно большой интервал времени. Поэтому, хотя период и измеряют в секундах, но для большинства колебаний он будет измеряться долями секунды.

Чтобы по графику колебаний определить период (рис. 3), нужно найти два одинаковых значения колеблющейся величины. После, провести от этих значений к оси времени пунктиры. Расстояние между пунктирами – это период колебаний.

Период – это время одного полного колебания.

На графике период найти удобнее одним из таких способов (рис. 4):

Что такое частота

Обозначают ее с помощью греческой буквы «ню» ( large nu ).

Частота отвечает на вопрос: «Сколько полных колебаний выполняется за одну секунду?» Или же: «Сколько периодов умещается в интервал времени, равный одной секунде?».

Поэтому, размерность частоты — это единицы колебаний в секунду:

( large nu left( frac{1}{c} right) ).

Иногда в учебниках встречается такая запись ( large displaystyle nu left( c^{-1} right) ), потому, что по свойствам степени ( large  displaystyle frac{1}{c} = c^{-1} ).

Начиная с 1933 года частоту указывают в Герцах в честь Генриха Рудольфа Герца. Он совершил значимые открытия в физике, изучал колебания и доказал, что существуют электромагнитные волны.

Одно колебание в секунду соответствует частоте в 1 Герц.

[ large displaystyle boxed{ frac{ 1 text{колебание}}{1 text{секунда}} = 1 text{Гц} }]

Чтобы с помощью графика определить частоту, нужно на оси времени определить период. А затем посчитать частоту по такой формуле:

[ large boxed{ nu = frac{1}{T} }]

Существует еще один способ определить частоту с помощью графика колеблющейся величины. Нужно отмерить на графике интервал времени, равный одной секунде, и сосчитать количество периодов колебаний, уместившихся в этот интервал (рис. 5).

Что такое циклическая частота

Колебательное движение и движение по окружности имеют много общего – это повторяющиеся движения. Одному полному обороту соответствует угол (large 2pi) радиан. Поэтому, кроме интервала времени 1 секунда, физики используют интервал времени, равный (large 2pi) секунд.

Число полных колебаний для такого интервала времени, называется циклической частотой и обозначается греческой буквой «омега»:

( large displaystyle omega left( frac{text{рад}}{c} right) )

Примечание: Величину ( large omega ) так же называют круговой частотой, а еще — угловой скоростью (ссылка).

Циклическая частота отвечает на вопрос: «Сколько полных колебаний выполняется за (large 2pi) секунд?» Или же: «Сколько периодов умещается в интервал времени, равный (large 2pi) секунд?».

Обычная ( large nu ) и циклическая ( large omega ) частота колебаний связаны формулой:

[ large boxed{ omega = 2pi cdot nu }]

Слева в формуле количество колебаний измеряется в радианах на секунду, а справа – в Герцах.

Чтобы с помощью графика колебаний определить величину ( large omega ), нужно сначала найти период T.

Затем, воспользоваться формулой ( large displaystyle nu = frac{1}{T} ) и вычислить частоту ( large nu ).

И только после этого, с помощью формулы ( large omega = 2pi cdot nu ) посчитать циклическую ( large omega ) частоту.

Для грубой устной оценки можно считать, что циклическая частота превышает обычную частоту примерно в 6 раз численно.

Определить величину ( large omega ) по графику колебаний можно еще одним способом. На оси времени отметить интервал, равный (large 2pi), а затем, сосчитать количество периодов колебаний в этом интервале (рис. 6).

Что такое начальная фаза и как определить ее по графику колебаний

Отклоним качели на некоторый угол от равновесия и будем удерживать их в таком положении. Когда мы отпустим их, качели начнут раскачиваться. А старт колебаний произойдет из угла, на который мы их отклонили.

Такой, начальный угол отклонения, называют начальной фазой колебаний. Обозначим этот угол (рис. 7) какой-нибудь греческой буквой, например, (large varphi_{0} ).

(large varphi_{0} left(text{рад} right) ) — начальная фаза, измеряется в радианах (или градусах).

Начальная фаза колебаний – это угол, на который мы отклонили качели, перед тем, как их отпустить. Из этого угла начнется колебательный процесс.

Рассмотрим теперь, как величина (large varphi_{0} ) влияет на график колебаний (рис. 8). Для удобства будем считать, что мы рассматриваем колебания, которые происходят по закону синуса.

Кривая, обозначенная черным на рисунке, начинает период колебаний из точки t = 0. Эта кривая является «чистым», не сдвинутым синусом. Для нее величину начальной фазы (large varphi_{0} ) принимаем равной нулю.

Вторая кривая на рисунке обозначена красным цветом. Начало ее периода сдвинуто вправо относительно точки t = 0. Поэтому, для красной кривой, начавшей новый период колебаний спустя время (large Delta t), начальный угол (large varphi_{0} ) будет отличаться от нулевого значения.

Определим угол (large varphi_{0} ) с помощью графика колебаний.

Обратим внимание (рис. на то, что время, лежащее на горизонтальной оси, измеряется в секундах, а величина (large varphi_{0} ) — в радианах. Значит, нужно связать формулой кусочек времени (large Delta t) и соответствующий ему начальный угол (large varphi_{0} ).

Как вычислить начальный угол по интервалу смещения

Алгоритм нахождения начального угла состоит из нескольких несложных шагов.

• Сначала определим интервал времени, обозначенный синими стрелками на рисунке. На осях большинства графиков располагают цифры, по которым это можно сделать. Как видно из рис. 8, этот интервал (large Delta t) равен 1 сек.
• Затем определим период. Для этого отметим одно полное колебание на красной кривой. Колебание началось в точке t = 1, а закончилось в точке t =5. Взяв разность между этими двумя точками времени, получим значение периода.

[large T = 5 – 1 = 4 left( text{сек} right)]

Из графика следует, что период T = 4 сек.

• Рассчитаем теперь, какую долю периода составляет интервал времени (large Delta t). Для этого составим такую дробь (large displaystyle frac{Delta t }{T} ):

[large frac{Delta t }{T} = frac{1}{4} ]

Полученное значение дроби означает, что красная кривая сдвинута относительно точки t = 0 и черной кривой на четверть периода.

• Нам известно, что одно полное колебание — один полный оборот (цикл), синус (или косинус) совершает, проходя каждый раз угол (large 2pi ). Найдем теперь, как связана найденная доля периода с углом (large 2pi ) полного цикла.

Для этого используем формулу:

[large boxed{ frac{Delta t }{T} cdot 2pi = varphi_{0} }]

(large displaystyle frac{1}{4} cdot 2pi = frac{pi }{2} =varphi_{0} )

Значит, интервалу (large Delta t) соответствует угол (large displaystyle frac{pi }{2} ) – это начальная фаза для красной кривой на рисунке.

• В заключение обратим внимание на следующее. Начало ближайшего к точке t = 0 периода красной кривой сдвинуто вправо. То есть, кривая запаздывает относительно «чистого» синуса.

Чтобы обозначить запаздывание, будем использовать знак «минус» для начального угла:

[large varphi_{0} = — frac{pi }{2} ]

Примечание: Если на кривой колебаний начало ближайшего периода лежит левее точки t = 0, то в таком случае, угол (large displaystyle frac{pi }{2} ) имеет знак «плюс».

Для не сдвинутого влево, либо вправо, синуса или косинуса, начальная фаза нулевая (large varphi_{0} = 0 ).

Для синуса или косинуса, сдвинутого влево по графику и опережающего обычную функцию, начальная фаза берется со знаком «+».

А если функция сдвинута вправо и запаздывает относительно обычной функции, величину (large varphi_{0} ) записываем со знаком «-».

Примечания:

1. Физики начинают отсчет времени из точки 0. Поэтому, время в задачах будет величиной не отрицательной.
2. На графике колебаний начальная фаза ( varphi_{0}) влияет на вертикальный сдвиг точки, из которой стартует колебательный процесс. Значит, можно для простоты сказать, что колебания имеют начальную точку.

Благодаря таким допущениям график колебаний при решении большинства задач можно изображать, начиная из окрестности нуля и преимущественно в правой полуплоскости.

Что такое фаза колебаний

Рассмотрим еще раз обыкновенные детские качели (рис. 9) и угол их отклонения от положения равновесия. С течением времени этот угол изменяется, то есть, он зависит от времени.

В процессе колебаний изменяется угол отклонения от равновесия. Этот изменяющийся угол называют фазой колебаний и обозначают (varphi).

Различия между фазой и начальной фазой

Существуют два угла отклонения от равновесия – начальный, он задается перед началом колебаний и, угол, изменяющийся во время колебаний.

Первый угол называют начальной ( varphi_{0}) фазой (рис. 10а), она считается неизменной величиной. А второй угол – просто ( varphi) фазой (рис. 10б) – это величина переменная.

Как на графике колебаний отметить фазу

На графике колебаний фаза (large varphi) выглядит, как точка на кривой. С течением времени эта точка сдвигается (бежит) по графику слева направо (рис. 11). То есть, в разные моменты времени она будет находиться на различных участках кривой.

На рисунке отмечены две крупные красные точки, они соответствуют фазам колебаний в моменты времени t1 и t2.

А начальная фаза на графике колебаний выглядит, как место, в котором находится точка, лежащая на кривой колебаний, в момент времени t=0. На рисунке дополнительно присутствует одна мелкая красная точка, она соответствует начальной фазе колебаний.

Как определить фазу с помощью формулы

Пусть нам известны величины (large omega) — циклическая частота и (large varphi_{0}) — начальная фаза. Во время колебаний эти величины не изменяются, то есть, являются константами.

Время колебаний t будет величиной переменной.

Фазу (large varphi), соответствующую любому интересующему нас моменту t времени, можно определить из такого уравнения:

[large boxed{ varphi = omega cdot t + varphi_{0} }]

Левая и правая части этого уравнения имеют размерность угла (т. е. измеряются в радианах, или градусах). А подставляя вместо символа t в это уравнение интересующие нас значения времени, можно получать соответствующие им значения фазы.

Что такое разность фаз

Обычно понятие разности фаз применяют, когда сравнивают два колебательных процесса между собой.

Рассмотрим два колебательных процесса (рис. 12). Каждый имеет свою начальную фазу.

Обозначим их:

( large varphi_{01}) – для первого процесса и,

( large varphi_{02}) – для второго процесса.

Определим разность фаз между первым и вторым колебательными процессами:

[large boxed{ Delta varphi = varphi_{01} —  varphi_{02} }]

Величина (large Delta varphi ) показывает, на сколько отличаются фазы двух колебаний, она называется разностью фаз.

Как связаны характеристики колебаний — формулы

Движение по окружности и колебательное движение имеют определенную схожесть, так как эти виды движения могут быть периодическими.

Поэтому, основные формулы, применимые для движения по окружности, подойдут так же, для описания колебательного движения.

• Связь между периодом, количеством колебаний и общим временем колебательного процесса:

[large boxed{ T cdot N = t }]

( large T left( c right) ) – время одного полного колебания (период колебаний);

( large N left( text{шт} right) ) – количество полных колебаний;

( large t left( c right) ) – общее время для нескольких колебаний;

• Период и частота колебаний связаны так:

[large boxed{ T = frac{1}{nu} }]

(large nu left( text{Гц} right) ) – частота колебаний.

• Количество и частота колебаний связаны формулой:

[large boxed{ N = nu cdot t}]

• Связь между частотой и циклической частотой колебаний:

[large boxed{ nu cdot 2pi = omega }]

(large displaystyle omega left( frac{text{рад}}{c} right) ) – циклическая (круговая) частота колебаний.

• Фаза и циклическая частота колебаний связаны так:

[large boxed{ varphi = omega cdot t + varphi_{0} }]

(large varphi_{0} left( text{рад} right) ) — начальная фаза;

(large varphi left( text{рад} right) ) – фаза (угол) в выбранный момент времени t;

• Между фазой и количеством колебаний связь описана так:

[large boxed{ varphi = N cdot 2pi }]

• Интервал времени (large Delta t ) (сдвигом) и начальная фаза колебаний связаны:

[large boxed{ frac{Delta t }{T} cdot 2pi = varphi_{0} }]

(large Delta t left( c right) ) — интервал времени, на который относительно точки t=0 сдвинуто начало ближайшего периода.

Итак, прежде чем определить, в чем измеряется частота, важно понять, что же это такое? Мы не будем углубляться в сложные физические термины, но некоторые понятия из этой дисциплины нам все-таки понадобятся. Во-первых, понятие «частота» — может относиться только к какому либо периодическому процессу. То есть, это действие, которое постоянно повторяется во времени. Вращение Земли вокруг Солнца, сокращение сердца, смена дня и ночи – всё это происходит с определенной частотой. Во-вторых, свою частоту, или периодичность колебаний имеют явления, или предметы, которые нам, людям, могут казаться вполне статичными и неподвижными. Хороший пример этого – обыкновенный дневной свет. Мы не замечаем, какого либо его изменения, или мерцания, но он, всё-же, имеет свою частоту колебаний, поскольку представляет собой высокочастотные электромагнитные волны.

Единицы измерения

В чем измеряется частота, в каких единицах? Для низкочастотных процессов существуют свои, отдельные единицы. Например, в космических масштабах – галактический год (обращение Солнца вокруг центра Галактики), земной год, сутки и т.д. Понятно, что для измерения меньших величин, пользоваться такими единицами неудобно, поэтому в физике используется более универсальная величина «секунда в минус первой степени» (с -1). Возможно, вы никогда не слышали о подобной мере, и это не удивительно – она обычно применяется лишь в научной, или технической литературе.

К счастью для нас, в 1960-ом году, меру частоты колебаний назвали на честь немецкого физика Генриха Герца. Эта величина (герц, сокр. Гц) и используется нами сегодня. Обозначает она количество колебаний (импульсов, действий) совершаемых объектом в 1 секунду. По-сути, 1 Гц = 1 с -1 . Человеческое сердце, например, имеет частоту колебаний приблизительно 1 Гц, т.е. сокращается один раз в секунду. Частота процессора вашего компьютера, может быть, скажем, 1 гигагерц (1 млрд. герц) – это значит, что в нем происходит 1 миллиард каких-то действий в секунду.

Как измерить частоту?

Если говорить об измерении частот электрических колебаний, то первый прибор, с которым знаком каждый из нас – это наши собственные глаза. Благодаря тому, что наши глаза умеют измерять частоту, мы различаем цвета (напомним, что свет — это электромагнитные волны) – самые низкочастотные мы видим как красные, высокочастотные – это ближе к фиолетовому. Для измерения более низких (или более высоких частот), люди изобрели множество приборов.

Вообще, основных способов измерения частоты есть два: непосредственный подсчет импульсов в секунду, и сравнительный метод. Первый способ реализован в частотомерах (цифровых и аналоговых). Второй – в компараторах частот. Метод измерения с частотомером – проще, в то время как измерение компаратором – точнее. Одной из разновидностей сравнительного метода, является измерение частоты с помощью осциллографа (знаком нам по кабинетам физики еще со школы) и т.н. «фигур Лиссажу». Недостаток сравнительного метода – для измерения нужно два источника колебаний, и один из них должен иметь уже известную нам частоту. Надеемся, наше маленькое исследование было вам интересно!

Резонансный метод измерения частот.

Метод сравнения частот;

Метод дискретного счета основывается на подсчете импульсов необходимой частоты за конкретный промежуток времени. Его наиболее часто используют цифровые частотомеры, и именно благодаря этому простому методу можно получить довольно точные данные.

Более подробно о частоте переменного тока Вы можете узнать из видео:

Метод перезаряда конденсатора тоже не несет в себе сложных вычислений. В этом случае среднее значение силы тока перезаряда пропорционально соотносится с частотой, и измеряется при помощи магнитоэлектрического амперметра. Шкала прибора, в таком случае, градуируется в Герцах.

Погрешность подобных частотомеров находится в пределах 2%, и поэтому такие измерения вполне пригодны для бытового использования.

Способ измерения базируется на электрическом резонансе, возникающем в контуре с подстраиваемыми элементами. Частота, которую необходимо измерить, определяется по специальной шкале самого механизма подстройки.

Такой метод дает очень низкую погрешность, однако применяется только для частот больше 50 кГц.

Метод сравнения частот применяется в осциллографах, и основан на смешении эталонной частоты с измеряемой. При этом возникают биения определенной частоты. Когда же этих биений достигает нуля, то измеряемая становится равной эталонной. Далее, по полученной на экране фигуре с применением формул можно рассчитать искомую частоту электрического тока.

Ещё одно интересное видео о частоте переменного тока:

> Период и частота

Как найти период и частоту
– определение и формула. Читайте, что такое угловая частота, цикл, частоты синусоидальных волн, единицы измерения, уравнения.

Период
– продолжительность цикла повторяющегося события, а частота – количество циклов за временной промежуток.

Задача обучения

• Преобразование между частотой и периодом.

Основные пункты

• Регулярно повторяющееся движение – периодическое. Одно полное повторение – цикл.
• Продолжительность цикла – период.
• Частота отображает число циклов, осуществленное за определенный временной промежуток. Это обратная величина периода и определяется формулой f = 1/T.
• Некоторые перемещения лучше всего характеризовать угловой частотой (ω). Она относится к угловому смещению за временной промежуток. Вычисляется по формуле: ω = 2πf.

Термины

• Угловая частота – угловое смещение за временной промежуток.
• Период – длительность одного цикла в повторяющемся событии.
• Частота – соотношение количества раз (n) периодического явления за временную единицу (t): f = n/t.

Пример

Когда-то существовал викторианский трюк. Человеку нужно было вслушаться в звук мухи, воспроизвести музыкальную ноту на пианино и сказать, сколько раз летучая мышь ударила крыльями за секунду. Если это 200 раз в секунду, то частота движения – f = 200/1 с = 200 Гц. Период составляет 1/200-ю секунду: T = 1/f = (1/200) с = 0.005 с.

Период и частота

Эти термины используют для выражения повторного движения. Период – время, которое тратится на одно повторение. Один полноценный проход – цикл. Частота – количество циклов за конкретный временной промежуток (f).

Синусоидальные волны разных частот. Нижние обладают более высокими частотами, а горизонтальная ось отображает время.

Понятия выражаются в формуле: F = 1/T.

Допустим, частота сердца новорожденного составляет 120 раз в минуту, а период – половина секунды. Если вы отточите интуицию на ожидание сопряженности больших частот с короткими периодами (и наоборот), то избежите ошибок.

Единицы

Чаще всего частота рассчитывается в герцах (Гц). 1 Гц указывает на то, что событие происходит раз в секунду. Традиционная единица, применимая во вращающихся механических приборах, – обороты в минуту (об/мин). Единица периода – секунда.

Угловая частота

Частота периодического движения лучше всего передается через угловую частоту – ω. Она относится к угловому смещению на единицу времени или скорости перемены состояния синусоидальной формы волны. В виде формулы:

Колеса совершают вращение с частотой
f циклов в секунду, что можно описать как ω радиан в секунду. Механическая связь позволяет линейным колебаниям поршней парового двигателя руководить колесами

у (t) = sin(θ(т)) = sin(ωt) = sin(2πft)

Угловая частота часто отображается в радианах на секунду.

Рассмотрим следующий рисунок:

На нем представлены два одинаковых маятника . Как видно из рисунка, первый маятник колеблется с большим размахом, чем второй. То есть другими словами, крайние положения которые занимает первый маятник находится на большем расстоянии друг от друга, чем у второго маятника.

Амплитуда

• Амплитуда колебания
  – наибольшее по модулю отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Обычно, для обозначения амплитуды колебаний используют букву А. Единицы измерения амплитуды совпадают с единицами измерения длины, то есть это метры, сантиметры, и т.д. В принципе, амплитуду можно записывать в единицах плоского угла, так как каждой дуге окружности будет соответствовать единственный центральный угол.

Говорят, что колеблющееся тело совершает одно полное колебание, когда оно проходит путь равный четырем амплитудам.

Период колебания

• Период колебания
  – промежуток времени, за которое тело совершает одно полное колебание.

Период колебания обозначают буквой Т. Единицами измерения периода колебаний Т являются секунды.

Если мы подвесим два одинаковых шарика на разной длинны нитях, и приведем их в колебательное движение, мы заметим, что за одинаковые промежутки времени, они будут совершать различное число колебаний. Шарик, подвешенный на короткой нити будет совершать больше колебаний, чем шарик, подвешенный на длинной нити.

Частота колебаний

• Частотой колебаний
  называется количество колебаний которое было совершено в единицу времени.

Частота колебаний обозначается буквой ν (читается как «ню»). Единицы частоты колебаний называются Герцами. Один герц означает одно колебание в секунду.

Период и частота колебаний связаны между собой следующим соотношением:

Частота свободных колебаний называется собственной частотой колебательной системы. Каждая система имеет свою собственную частоту колебаний.

Фаза колебаний

Существует еще такое понятие как фаза колебаний. Два маятника могут иметь одинаковую частоту колебаний, но при это они могут колебаться в разных фазах, то есть их скорости в любой момент времени будут направлены в противоположных направлениях.

• Если скорости маятников в любой момент времени будут направлены одинаково, то говорят, что маятники колеблются в одинаковых фазах колебаний.

Маятники также могут колебаться с некоторой разностью фаз, в таком случае в некоторые моменты времени направление их скоростей будут совпадать, а в некоторые нет.

– физическая величина, являющаяся основной характеристикой периодических процессов или процессов, происходящих по определенным закономерностям. Показывает количество полных колебаний (циклов) за единицу времени.

Колебания
– физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени. Колебания, в зависимости от физической природы, бывают двух основных типов: механические, электромагнитные. Иногда выделяют еще смешанный тип, который является комбинацией основных типов.

Типы колебаний

Механические колебания
— такие движения тел, при которых через равные интервалы времени координаты движущегося тела, его скорость и ускорение принимают исходные значения.

Электромагнитные
— взаимосвязанные колебания магнитного и электрического полей. Возникают в различного рода электрических цепях. Проявляются периодическим изменением во времени одной из электродинамических величин: электрического заряда, силы тока, напряжения, напряженности электрического поля, индукции магнитного поля. Описываются теми же законами, что и механические колебания. Получить данный вид колебаний экспериментально можно с помощью простейшего колебательного контура, включающего в себя катушку индуктивности и конденсатор.

По характеру взаимодействия с окружающей средой колебания подразделяют

Свободные
— колебания, происходящие в механической системе под действием внутренних сил системы после кратковременного воздействия внешней силы. Такие колебания называют затухающими.

Вынужденные
– колебания, возникающие под действием внешних сил, изменяющихся со временем по величине и направлению. Такие колебания называют незатухающими.

Автоколебания
— система изначально имеет запас потенциальной энергии, который и идет на совершение колебаний. Причем амплитуда (величина максимального отклонения от точки равновесия) не зависит от начальных условий, а определяется свойствами системы. Пример: колебательное движение маятника часов под действием тяжести гири или пружины, колебания листьев, веток деревьев под действием постоянного потока воздуха.Также определяют параметрические колебания (возникают при изменении одного из параметров системы) и случайные.

Величины, характеризующие колебания

Понятие «колебания» тесно связано с волнами. Но при колебательном движение, в отличие от волнового, отсутствует процесс переноса энергии из одной точки пространства в другую.

Основными характеристиками колебательного движения, как и волнового, являются период (Т), амплитуда (А) и частота(v
иногда f
). Причем период и частота величины взаимообратные – чем больше частота, тем меньше период: Т=1/v
. Период – это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание (цикл), измеряется в секундах. Соответственно частота измеряется в (1/сек
).

Также единицей измерения частоты в международной метрической системе единиц Си с 1933 года является герц. Единица измерения названа в честь немецкого профессора физики Генриха Рудольфа Герца (1858-1894), который опытным путем, исследуя дифракцию, интерференцию, поляризацию и отражение, подтвердил существование электромагнитных волн. Доказал, что свет является разновидностью электромагнитных волн, чем обосновал существующую электромагнитную теорию света Максвелла. Также Герц занимался изучением электрических полей, возникающих вокруг движущихся тел. На основе наблюдений создал теорию, но опытного подтверждения она не получила. Исследования же внешнего фотоэффекта, проведенные Герцем, легли в основу дальнейших научных изысканий. Также для описания колебательных и волновых процессов используют циклическую частоту, фазу. Циклическая частота показывает количество полных колебаний за единицу времени, равную 2П (где П=3,14), а фаза – это величина смещения в любой, отдельно взятый, момент времени.

Нужно также отметить, что если колебания возможно описать по закону синуса или косинуса, то они являются гармоническими. Соответственно, в уравнении для математического описания обязательно присутствует функция sin или cos.