Колебания и волны

Такие явления, как колебания и волны, относятся к одним из самых распространенных в природе, как живой, так и неорганической. К колебательным процессам относят те, при которых некоторые экспонированные состояния той или иной системы периодически повторяются. Еще со школы всем известны опыты с качающимся маятником – это пример самого простого колебательного процесса.

Более сложным, но от этого не менее распространенным можно считать такое явление как волны. Их природа очень разнообразна, и мы можем это наблюдать на примере действия многих окружающих нас явлений. Самым наглядным, если так можно выразиться, является свет, его распространение в различных средах – воздухе, воде, вакууме, химических смесях.

Понять, как связаны между собой колебания и волны достаточно просто. Представьте себе некую колебательную систему, тот же маятник в колеблющемся состоянии, и затем переместите его, не останавливая колебательного процесса, в другое место, и вы получите волновое явление. Одним словом, волной можно назвать процесс, в ходе которого колебания перемещаются из одного места в иное.

Различие природы колебаний от волн можно проследить и на примере их математического отражения. Колебания и волны, формулы которых отличны друг от друга, выражаются таким образом.

Колебания в самом простейшем виде характеризуются показателями количества колебаний, их частоты и времени совершения одного колебательного цикла. Формула связи этих параметров имеет такой вид: f = 1 / Т, где n – количество колебаний, Т – период времени, за которое совершается колебательный процесс. При необходимости более детального описания колебательных явлений используются дополнительные параметры. Так, например, если мы рассматриваем колебания циклического типа, нам будет необходим показатель: фаза (j) – величина, которая показывает, какая часть колебания уже произошла с начала всего процесса, циклическая частота (w), амплитуда (А), показывающая максимальное отклонение системы от первоначального состояния. Формула этого гармонического процесса тогда примет вид: f = A sin j, или A = f / sin j.

Учитывая, что основным фактором отличия меду волной и колебанием выступает величина смещения, в простейшем виде волновое явление можно отразить формулой вида: S = A·-sin &omega- х (t - x/v), где S – величина волнового смещения, v – скорость смещения (скорость волны), &omega- – угловая частота.

В науках, которые занимаются исследованием колебательно-волновых процессов, принято отдельно рассматривать механические волны и колебания иэлектромагнитные. Связано это с тем, что электромагнитные распространяются в особых средах и характеризуются тем, что при распространении переносят энергию колебательного импульса, не перенося самого вещества (системы), которая совершает это колебание. Прежде всего, примером здесь могут быть самые разнообразные поля: электрические, электромагнитные, радиоволны, излучения различных типов.

Как было сказано, колебания и волны в теории рассматриваются отдельно, но это отнюдь не означает их изолированности в природе и тех технологиях, которые созданы человеком. Наиболее ярким примером тут может выступить применение колебательно–волновых процессов в радиолокации. Излучающая станция посылает волновой колебательный сигнал с заданной частотой к объекту, который движется в определенный момент времени. Достигает этого объекта волна уже в другой момент времени, а отражается и приходит на принимающую станцию (модуль) – в третий. То есть между посылом волны и ее приемом образуется некий временной отрезок, который характеризует перемещение объекта в пространстве. Зная время задержки волны и расстояние, можно с большой точностью определять скорость движущегося объекта, а также его местоположение. Причем, чем меньше длина волны, тем определений местоположения будет точнее.

В современных технологиях колебания и волны находят все более широкое применение. Всем известный процессор компьютера представляет собой не что иное, как колебательную систему, в которой заключено несколько сот миллионов транзисторов, совершающих вычислительные операции по примеру колебательных в двоичной системе счисления. Скорость таких колебательных систем чрезвычайно велика и измеряется в гигаГерцах. Такие данные может прочитать любой пользователь, открыв окно «Мой компьютер – свойства системы».