Günlük yaşamda, bir kişi sürekli olarak salınım hareketinin tezahürleriyle karşılaşır. Bu, saatteki sarkacın salınımı, otomobil yaylarının ve tüm arabanın titreşimidir. Bir deprem bile yer kabuğunun titreşimlerinden başka bir şey değildir. Yüksek binalar da kuvvetli rüzgarlardan sallanır. Fiziğin bu fenomeni nasıl açıkladığını bulmaya çalışalım.
Salınım sistemi olarak sarkaç
Salınım hareketinin en belirgin örneği duvar saati sarkaçıdır. Sarkacın soldaki en yüksek noktadan sağdaki en yüksek noktaya geçişine tam dönüşü denir. Böyle bir tam salınımın periyoduna çevre denir. Salınım frekansı, saniyedeki salınım sayısıdır.
Salınımları incelemek için, bir ipliğe küçük bir metal bilye asılarak yapılan basit bir iplik sarkaç kullanılır. Topun maddesel bir nokta olduğunu ve ipliğin mutlak durumda kütlesinin olmadığını hayal edersekesneklik ve sürtünme eksikliği, teorik, sözde matematiksel bir sarkaç elde edersiniz.
Böyle bir "ideal" sarkacın salınım periyodu şu formül kullanılarak hesaplanabilir:
T=2π √ l / g, burada l sarkacın uzunluğu, g serbest düşüş ivmesidir.
Formül sarkacın salınım periyodunun kütlesine bağlı olmadığını ve denge konumundan sapma açısını hesaba katmadığını gösterir.
Enerjinin dönüşümü
Sürtünme ve direnç kuvvetleri olmasaydı, belli bir periyotla sonsuza kadar tekrar eden sarkaç hareketlerinin mekanizması nedir?
Sarkaç, kendisine verilen enerji nedeniyle salınım yapmaya başlar. Sarkaç dikey konumdan uzaklaştırıldığı anda, ona belirli bir miktarda potansiyel enerji veriyoruz. Sarkaç tepe noktasından başlangıç konumuna hareket ettiğinde potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Bu durumda, ivme veren kuvvet azaldığı için sarkacın hızı en büyük olacaktır. İlk konumda sarkacın hızının en büyük olması nedeniyle durmaz, ancak atalet ile bir dairenin yayı boyunca indiği ile tam olarak aynı yüksekliğe kadar hareket eder. Salınım hareketi sırasında enerji bu şekilde potansiyelden kinetik duruma dönüşür.
Sarkaçın yüksekliği, alçalma yüksekliğine eşittir. Galileo, daha sonra kendi adını taşıyan bir sarkaçla deney yaparken bu sonuca vardı.
Bir sarkacın salınımı, enerjinin korunumu yasasının tartışılmaz bir örneğidir. Ve bunlara harmonik titreşimler denir.
Sinüs dalgası ve faz
Harmonik salınım hareketi nedir? Böyle bir hareketin prensibini görmek için aşağıdaki deneyi yapabilirsiniz. Enine çubuğa kumlu bir huni asıyoruz. Altına, huninin dalgalanmalarına dik olarak kaydırılabilen bir kağıt koyduk. Huniyi harekete geçirdikten sonra kağıdı kaydırıyoruz.
Sonuç, kuma yazılmış dalgalı bir çizgidir - bir sinüzoid. Sinüs yasasına göre meydana gelen bu salınımlara sinüsoidal veya harmonik denir. Bu tür dalgalanmalarla hareketi karakterize eden herhangi bir miktar sinüs veya kosinüs yasasına göre değişecektir.
Karton üzerinde oluşturulan sinüzoidi inceledikten sonra, kumun farklı kalınlıklarda çeşitli bölümlerinde bir kum tabakası olduğu not edilebilir: sinüzoidin tepesinde veya çukurunda en yoğun şekilde yığılmıştır. Bu, sarkacın hareketini tersine çevirdiği bu noktalarda sarkacın hızının en küçük veya daha doğrusu sıfır olduğunu gösteriyor.
Faz kavramı salınımların çalışmasında büyük rol oynar. Rusçaya çevrilen bu kelime "tezahür" anlamına gelir. Fizikte faz, periyodik bir sürecin belirli bir aşamasıdır, yani sarkacın şu anda bulunduğu sinüzoid üzerindeki yer.
Gevşemede tereddütler
Salınım sistemine hareket verilir ve ardından durdurulursaherhangi bir kuvvet ve enerjinin etkisi, o zaman böyle bir sistemin salınımları serbest olarak adlandırılacaktır. Kendi haline bırakılan sarkacın salınımları yavaş yavaş azalmaya başlayacak, genliği azalacaktır. Sarkacın hareketi sadece değişken değildir (altta daha hızlı ve üstte daha yavaştır), aynı zamanda eşit olarak değişken değildir.
Harmonik salınımlarda, denge noktasından sapma miktarı azaldıkça sarkacın ivmesini veren kuvvet zayıflar. Kuvvet ve sapma mesafesi arasında orantılı bir ilişki vardır. Bu nedenle, denge noktasından sapma açısının on dereceyi geçmediği bu tür titreşimlere harmonik denir.
Zorunlu hareket ve rezonans
Mühendislikte pratik uygulama için, titreşimlerin salınım sistemine harici bir kuvvet vererek azalmasına izin verilmez. Salınım hareketi dış etki altında gerçekleşirse buna zorlama denir. Zorunlu salınımlar, bir dış etkinin belirlediği sıklıkta meydana gelir. Etki eden dış kuvvetin frekansı sarkacın doğal salınımlarının frekansı ile çakışabilir veya çakışmayabilir. Çakışırken, salınımların genliği artar. Bu tür bir artışa örnek olarak, hareket sırasında onlara hız vererek kendi hareketlerinin ritmini yakalayarak daha yükseğe çıkan bir salınım verilebilir.
Fizikteki bu fenomene rezonans denir ve pratik uygulamalar için büyük önem taşır. Örneğin, bir radyo alıcısını istenen dalgaya ayarlarken, ilgili radyo istasyonu ile rezonansa getirilir. Rezonans olgusunun da olumsuz sonuçları vardır,binaların ve köprülerin yıkılmasına yol açar.
Kendi kendine yeterli sistemler
Zorlanmış ve serbest titreşimlerin yanı sıra kendi kendine salınımlar da vardır. Değişken bir kuvvet yerine sabit bir kuvvete maruz kaldıklarında salınan sistemin frekansı ile ortaya çıkarlar. Kendi kendine salınımların bir örneği, yayı gevşeterek veya yükü indirerek sağlanan ve korunan sarkacın hareketi olan bir saattir. Keman çalarken tellerin doğal titreşimleri yayın etkisinden kaynaklanan kuvvetle örtüşür ve belli bir tonalitede bir ses ortaya çıkar.
Salınım sistemleri çeşitlidir ve pratik deneylerde bunlarda meydana gelen süreçlerin incelenmesi ilginç ve bilgilendiricidir. Salınım hareketinin günlük yaşamda, bilimde ve teknolojide pratik uygulaması çeşitlidir ve vazgeçilmezdir: salıncak salınımlarından roket motorlarının üretimine kadar.
