Свободные колебания

Колебательные процессы – одно из самых распространенных явлений в природе. Их исследованием занимаются различные отрасли знания, прежде всего, физика. Чтобы ответить на вопрос, какие колебания называются свободными, следует учесть, что данная категория является исходной в изучении всего многообразия колебательных явлений, имеющих место в природе.

Различают следующие их виды, классифицируемые по следующим основаниям.

По физической природе различают колебания механические, электромагнитные и смешанные, сочетающие признаки уже названных.

По способу протекания в окружающих средах выделяют колебания:

- вынужденные, то есть те, которые вызываются и происходят под воздействием различного рода внешних возмущений сред, в которых они происходят. При этом должно соблюдаться условие периодичности этих возмущений;

- свободные колебания, называемые еще собственными, которые инициируются внутренними свойствам системы и которые характеризуются обязательным затуханием, когда действие внутренних сил прекращается или уменьшается;

- автоколебания — такие, которые характеризуются наличием у системы некоторого потенциала (потенциальной энергии), обеспечивающего совершение колебаний. Главное, чем свободные колебания отличаются от автоколебаний, выступает зависимость амплитуды не от начального инициирующего импульса силы, а от характеристик самой физической системы;

- параметрические — это колебания, которые формируются при преднамеренном задании колебательной системе какого-либо параметра, выступающего проявлением свойств внешней среды;

- случайные колебания представляют собой такие, в которых воздействующие на колебательный процесс факторы носят случайный, не параметрический характер.

Обобщая данные характеристики, можно сделать вывод о том, что в самом общем виде колебания – это повторяющиеся с определенной периодичностью изменения некой системы относительно ее равновесного состояния. Наиболее распространенными сферами проявления колебательных процессов в природе выступают механические явления, химические, волновые и электрические, астрономические, электромагнитные и иные. Общим свойством всех без исключения видов колебаний, является то, что они непосредственно связаны с энергетическим переходом – преобразованием одного вида энергии в другой.

Как уже отмечалось, исходной точкой в исследовании природы колебательных процессов, является исследование такого их вида, как свободные колебания. Их основными характеристиками являются следующие параметры:

- амплитуда (А) – наибольшая величина отклонения системы от ее равновесного состояния (чаще всего используется показатель усредненного значения);

- период (Т) — определенный отрезок времени, в течение которого можно зафиксировать повторения состояний системы;

- частота свободных колебаний (f) – количество колебаний, которое совершает система за определенную единицу времени. Этот параметр измеряется в герцах (Гц).

Связь этих параметров отражает формула, которая характеризует свободные колебания как явление. Для разных колебательных систем параметры в данную формулу включаются в различных сочетаниях, в зависимости от того, какая конкретно система рассматривается.

Например, в простейшем колебательном контуре период и частота, связаны формулой: f = 1 /T, из нее видно, что период и частота являются обратными значениями.

Если рассмотреть свободные колебания, которые происходят в такой системе, какой является закрепленная статически пружина, обладающая определенной упругостью (k), то здесь следует обратиться ко второму закону Ньютона. С учетом его, формула, отражающая свойства рассматриваемой колебательной системы, примет вид: F = -kx. Это говорит о том, что если пренебречь значениями сил трения, а массу принять за величину постоянную, то такая система будет всегда совершать колебания с одинаковым периодом, даже при различных амплитудах и начальных условиях их возникновения.