ყოველდღიურ ცხოვრებაში ადამიანი მუდმივად ხვდება რხევითი მოძრაობის გამოვლინებებს. ეს არის ქანქარის რხევა საათში, საავტომობილო ზამბარების ვიბრაცია და მთელი მანქანა. მიწისძვრაც კი სხვა არაფერია, თუ არა დედამიწის ქერქის ვიბრაცია. მაღალსართულიანი შენობები ასევე ირხევა ძლიერი ქარისგან. შევეცადოთ გაერკვნენ, თუ როგორ ხსნის ფიზიკა ამ მოვლენას.
ქანქარა, როგორც რხევითი სისტემა
რხევადი მოძრაობის ყველაზე აშკარა მაგალითია კედლის საათის გულსაკიდი. ქანქარის გავლას მარცხნიდან ყველაზე მაღალი წერტილიდან მარჯვნივ მის სრულ რხევას უწოდებენ. ერთი ასეთი სრული რხევის პერიოდს პერიმეტრი ეწოდება. რხევის სიხშირე არის რხევების რაოდენობა წამში.
რხევების შესასწავლად გამოიყენება მარტივი ძაფის ქანქარა, რომელიც მზადდება ძაფზე ლითონის პატარა ბურთის ჩამოკიდებით. თუ წარმოვიდგენთ, რომ ბურთი მატერიალური წერტილია და ძაფს არ აქვს მასა აბსოლუტურშიმოქნილობა და ხახუნის ნაკლებობა, თქვენ მიიღებთ თეორიულ, ეგრეთ წოდებულ მათემატიკურ ქანქარას.
ასეთი "იდეალური" ქანქარის რხევის პერიოდი შეიძლება გამოითვალოს ფორმულით:
T=2π √ ლ / გ, სადაც l არის ქანქარის სიგრძე, g არის თავისუფალი დაცემის აჩქარება.
ფორმულა აჩვენებს, რომ ქანქარის რხევის პერიოდი არ არის დამოკიდებული მის მასაზე და არ ითვალისწინებს გადახრის კუთხეს წონასწორობის პოზიციიდან.
ენერგიის ტრანსფორმაცია
როგორია ქანქარის მოძრაობის მექანიზმი, რომელიც მეორდება გარკვეული პერიოდით უსასრულობამდეც კი, თუ არ არსებობდა ხახუნის და წინააღმდეგობის ძალები, რომელთა გადალახვაც საჭიროა გარკვეული სამუშაო?
ქანქარა იწყებს რხევას მასზე გადაცემული ენერგიის გამო. იმ მომენტში, როცა ქანქარა ვერტიკალური მდგომარეობიდან მოშორებულია, ჩვენ მას გარკვეულ პოტენციურ ენერგიას ვაძლევთ. როდესაც ქანქარა ზედა წერტილიდან საწყის პოზიციაზე გადადის, პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად. ამ შემთხვევაში ქანქარის სიჩქარე ყველაზე დიდი გახდება, რადგან აჩქარების გამომწვევი ძალა მცირდება. იმის გამო, რომ საწყის პოზიციაში ქანქარის სიჩქარე უდიდესია, ის არ ჩერდება, მაგრამ ინერციით მოძრაობს წრის რკალის გასწვრივ ზუსტად იმავე სიმაღლეზე, საიდანაც იგი ჩამოვიდა. ასე გარდაიქმნება ენერგია რხევითი მოძრაობის დროს პოტენციურიდან კინეტიკურად.
ქანქარის სიმაღლე უდრის მისი დაწევის სიმაღლეს. გალილეო ამ დასკვნამდე მივიდა ქანქარით ექსპერიმენტის ჩატარების დროს, რომელსაც მოგვიანებით მისი სახელი ეწოდა.
ქანქარას რხევა ენერგიის შენარჩუნების კანონის უდავო მაგალითია. და მათ ჰარმონიულ ვიბრაციას უწოდებენ.
სინუსური ტალღა და ფაზა
რა არის ჰარმონიული რხევითი მოძრაობა. ასეთი მოძრაობის პრინციპის სანახავად შეგიძლიათ ჩაატაროთ შემდეგი ექსპერიმენტი. ჯვარედინზე ქვიშით ძაბრს ვუკიდებთ. მის ქვეშ ვდებთ ფურცელს, რომელიც შეიძლება გადავიდეს ძაბრის რყევებზე პერპენდიკულარულად. ძაბრის ამოქმედების შემდეგ, ჩვენ ვცვლით ქაღალდს.
შედეგი არის ქვიშაში ჩაწერილი ტალღოვანი ხაზი - სინუსოიდი. ამ რხევებს, რომლებიც ხდება სინუსის კანონის შესაბამისად, ეწოდება სინუსოიდური ან ჰარმონიული. ასეთი რყევების დროს მოძრაობის დამახასიათებელი ნებისმიერი სიდიდე შეიცვლება სინუსის ან კოსინუსის კანონის მიხედვით.
მუყაოზე წარმოქმნილი სინუსოიდის შესწავლის შემდეგ, შეიძლება აღინიშნოს, რომ ქვიშა არის ქვიშის ფენა მის სხვადასხვა მონაკვეთებში, სხვადასხვა სისქით: სინუსოიდის ზედა ან ღეროზე, ის ყველაზე მჭიდროდ იყო დაწყობილი. ეს გვაფიქრებინებს, რომ ამ წერტილებში ქანქარის სიჩქარე იყო ყველაზე მცირე, უფრო სწორად ნული, იმ წერტილებში, სადაც ქანქარა უკუმოძრაობდა.
ფაზის კონცეფცია უზარმაზარ როლს თამაშობს რხევების შესწავლაში. რუსულად თარგმნილი ეს სიტყვა ნიშნავს "მანიფესტაციას". ფიზიკაში ფაზა არის პერიოდული პროცესის სპეციფიკური ეტაპი, ანუ ადგილი სინუსოიდზე, სადაც ამჟამად მდებარეობს ქანქარა.
ყოყმანის შესახებ
თუ რხევის სისტემას მიეცემა მოძრაობა და შემდეგ შეჩერებულიანებისმიერი ძალისა და ენერგიის ზემოქმედება, მაშინ ასეთი სისტემის რხევებს ეწოდება თავისუფალი. ქანქარის რხევები, რომელიც თავისთვის დარჩა, თანდათან დაიწყებს ქრება, ამპლიტუდა შემცირდება. ქანქარის მოძრაობა არა მხოლოდ ცვალებადია (უფრო სწრაფი და ნელა ზევით), არამედ არც ერთნაირად ცვალებადია.
ჰარმონიულ რხევებში ძალა, რომელიც აძლევს გულსაკიდის აჩქარებას, სუსტი ხდება წონასწორობის წერტილიდან გადახრის რაოდენობის შემცირებით. არსებობს პროპორციული კავშირი ძალასა და გადახრის მანძილს შორის. ამიტომ ისეთ ვიბრაციებს ჰქვია ჰარმონიული, რომლებშიც წონასწორობის წერტილიდან გადახრის კუთხე არ აღემატება ათ გრადუსს.
იძულებითი მოძრაობა და რეზონანსი
ინჟინერიაში პრაქტიკული გამოყენებისთვის, ვიბრაციას დაუშვებელია გაფუჭება, რაც რხევად სისტემას აწვდის გარე ძალას. თუ რხევითი მოძრაობა ხდება გარე გავლენის ქვეშ, მას იძულებითი ეწოდება. იძულებითი რხევები ხდება იმ სიხშირით, რასაც გარე გავლენა აყალიბებს მათ. მოქმედი გარე ძალის სიხშირე შეიძლება ემთხვეოდეს ან არ ემთხვეოდეს ქანქარის ბუნებრივი რხევების სიხშირეს. როდესაც ერთმანეთს ემთხვევა, რხევების ამპლიტუდა იზრდება. ასეთი გაზრდის მაგალითია საქანელა, რომელიც უფრო მაღლა აიწევს, თუ მოძრაობის დროს თქვენ მათ აჩქარებთ და ურტყამთ მათ მოძრაობას.
ფიზიკაში ამ ფენომენს რეზონანსი ჰქვია და დიდი მნიშვნელობა აქვს პრაქტიკული გამოყენებისთვის. მაგალითად, რადიო მიმღების სასურველ ტალღაზე დაყენებისას, ის რეზონანსში შედის შესაბამის რადიოსადგურთან. რეზონანსის ფენომენს ასევე აქვს უარყოფითი შედეგები,იწვევს შენობებისა და ხიდების ნგრევას.
თვითკმარი სისტემები
გარდა იძულებითი და თავისუფალი ვიბრაციებისა, არის თვითრხევებიც. ისინი წარმოიქმნება თავად რხევითი სისტემის სიხშირით, როდესაც ექვემდებარება მუდმივ და არა ცვლად ძალას. თვითრხევების მაგალითია საათი, ქანქარის მოძრაობა, რომელშიც უზრუნველყოფილია და შენარჩუნებულია ზამბარის გადახვევით ან დატვირთვის შემცირებით. ვიოლინოზე დაკვრისას სიმების ბუნებრივი ვიბრაცია ემთხვევა მშვილდის გავლენის შედეგად წარმოქმნილ ძალას და ჩნდება გარკვეული ტონალობის ხმა..
ოსცილატორული სისტემები მრავალფეროვანია და მათში მიმდინარე პროცესების შესწავლა პრაქტიკულ ექსპერიმენტებში საინტერესო და ინფორმაციულია. რხევითი მოძრაობის პრაქტიკული გამოყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში, მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში მრავალფეროვანი და შეუცვლელია: საქანელებიდან სარაკეტო ძრავების წარმოებამდე.
