Kmitanie

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Kmitajúce závažie na pružine je typickým príkladom jednoduchého oscilátora

Kmitanie alebo oscilácia je pohyb fyzikálnej sústavy (napr. hmotného bodu), pri ktorom sa systém po vychýlení vždy vráti do rovnovážnej polohy. Jedna zmena v rámci kmitania sa nazýva aj kmit (časť kmitavého pohybu, pri ktorom hmotný bod prejde všetkými polohami a vráti sa späť odkiaľ vyšiel), prechod z jednej krajnej polohy do opačnej sa niekedy nazýva kyv. Perióda je čas, za ktorý sústava vykoná jeden kmit, frekvencia je počet kmitov za jednu sekundu. Pre kmitavý pohyb je typické, že sa striedavo mení kinetická energia systému na potenciálnu a naopak.

Typickými príkladmi kmitania je kyvadlo, pri ktorom sa periodicky mení výchylka od zvislice, alebo teleso zavesené na pružine, pri ktorom sa po vychýlení periodicky mení jeho výšková súradnica.

Základné pojmy[upraviť | upraviť zdroj]

Pri kmitaní a iných periodických dejoch sa periodicky mení nejaká veličina, označme ju u(t), kde t v zátvorke znamená, že veličina u je funkciou času. Vo väčšine prípadov existuje istá rovnovážna hodnota veličiny u_0 okolo ktorej skutočná hodnota osciluje. Rozdiel oproti rovnovážnej polohe nazývame výchylkou a budeme ju označovať ako x(t).

Čas, za ktorý sústava vykoná jeden kmit (osciláciu), sa nazýva perióda, zvyčajne označovaná ako T. Je to najmenší časový interval, pre ktorý v každom okamihu t platí

x(t+T)=x(t)

Prevrátenou hodnotou periódy je frekvencia, zvyčajne označovaná f. Jej jednotkou je Hertz, pričom 1\mbox{Hz}=1\mbox{s}^{-1}. Frekvencia oscilátora udáva počet kmitov, ktoré nastanú za jednu sekundu. Poznatok možno vyjadriť vzťahom

f = \frac{1}{T}

Pri harmonickom kmitavom pohybe je niekedy užitočné pracovať s uhlovou frekvenciou \omega. Jej význam možno lepšie pochopiť pomocou analógie s pohybom po kružnici (uvedená nižšie). Jednotkou uhlovej frekvencie je radián za sekundu. S bežnou frekvenciou je viazaná vzťahom

\omega=2\pi f

Amplitúda x_m je maximálna výchylka z rovnovážnej polohy u_0.

Harmonický kmitavý pohyb[upraviť | upraviť zdroj]

Harmonický kmitavý pohyb je typický tým, že priebeh oscilujúcej veličiny je popísaný sínusoidou. Možno to vyjadriť priamou úmerou

x(t)\propto{\sin{\omega t}}

Väčšina kmitavých pohybov je harmonická v prvom priblížení pre malé výchylky. Napríklad pohyb kyvadla je tým presnejšie popísaný rovnicami pre harmonický kmitavý pohyb, čím je menšia maximálna výchylka závažia od zvislice. Väčšinou sa udáva, že dostatočnú presnosť dosiahneme pre výchylky menšie ako 5°.

Aby pohyb telesa, resp. časový vývoj systému bol harmonický kmitavý, stačí aby bola splnená pohybová rovnica

\frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2}=-k x

kde x je časom sa meniaca výchylka z rovnovážnej polohy a k je kladná konštanta úmernosti. Riešenie tejto diferenciálnej rovnice je

x(t)=x_m\sin{(\omega t+\phi_0)}

kde x_m je amplitúda kmitov a \phi_0 fázový posun, obe konštanty v rovnici možno určiť z počiatočných podmienok. Ďalší parameter v rovnici je už spomínaná uhlová frekvencia \omega, ktorá je s konštantou úmernosti previazaná jednoduchým vzťahom

\omega=\sqrt{k}

Z toho je zrejmé, že pre frekvenciu f a periódu T oscilácii platia rovnice

f=\frac{\omega}{2\pi}=\frac{\sqrt{k}}{2\pi}
T=\frac{1}{f}=\frac{2\pi}{\sqrt{k}}

Analógia k pohybu po kružnici[upraviť | upraviť zdroj]

Angularvelocity.png

Nech sa hmotný bod pohybuje po kružnici ako na obrázku vpravo konštantnou uhlovou rýchlosťou \omega, pričom

\omega=\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}

Pre stredový uhol teda platí \theta=\omega t+\theta_0, kde \theta_0 je uhol prejdený v čase t=0 a teda je určený počiatočnými podmienkami. Ak je polomer kružnice R, tak potom pre okamžité súradnice hmotného bodu platia rovnice

x(t)=R\cos{(\omega t+\theta_0)}
y(t)=R\sin{(\omega t+\theta_0)}

Ak sa bližšie pozrieme na rovnicu pre ypsilonovú súradnicu hmotného bodu, všimneme si, že je rovnaká ako rovnica popisujúca harmonický kmitavý pohyb, ktorého amplitúda je rovná polomeru R kružnice, uhlová frekvencia je rovná uhlovej rýchlosti \omega hmotného bodu a fázové posuny sú rovnaké. Tento harmonický kmitavý pohyb je možné aj pozorovať jednoduchým experimentom. Ak systém na obrázku zľava osvetlíme rovnobežnými svetelnými lúčmi, na tienidle postavenom vpravo od systému bude konať tieň hmotného bodu naozaj harmonický kmitavý pohyb.

Energia oscilujúceho systému[upraviť | upraviť zdroj]

Pre oscilujúci systém je typické, že sa striedavo premieňa potenciálna energia na kinetickú a naopak. Ak je pravidelne sa meniaca výchylka x a ak časovú deriváciu zjednodušene označíme bodkou nad derivovanou veličinou, tak platí

E_p=\frac{1}{2}K^*x^2
E_k=\frac{1}{2}M^*\dot{x}^2

kde K^* označuje tuhosť systému. Istým spôsobom hovorí o tom, ako veľmi je ťažké vychýliť teleso z rovnovážnej polohy a M^* hovorí o zotrvačných schopnostiach systému.

Ak sa nám podarí výpočtom určiť hodnoty veličín K^* a M^*, potom je veľmi jednoduché určiť charakteristiky kmitavého pohybu. S uhlovou frekvenciou sú vždy zviazané vzťahom

\omega=\sqrt{\frac{K^*}{M^*}}

Pri harmonickom kmitavom pohybe, kde nedochádza k žiadnym stratám energie v dôsledku trenie a iných odporových síl, platí zákon zachovania mechanickej energie, teda súčet kinetickej a potenciálnej energie oscilátora je rovný jeho celkovej energii, ktorej hodnota sa počas oscilácií nemení.

E_p+E_k=E=\mathrm{const}

Jednoduché oscilátory[upraviť | upraviť zdroj]

Bodky nad niektorými veličinami v tabuľke sú zjednodušený zápis časovej derivácie.

Systém Popis Potenciálna energia Kinetická energia Uhlová frekvencia Frekvencia Perióda
Simple harmonic oscillator.gif Teleso na pružine.

Hmotný bod s hmotnosťou m zavesené na ideálnej pružine tuhosti k. Výchylkou je výška x telesa nad rovnovážnou polohou. Pre rýchlosť v telesa platí

v=\dot{x}

E_p=\frac{1}{2}kx^2 E_k=\frac{1}{2}m\dot{x}^2 \omega=\sqrt{\frac{k}{m}} f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}
Simple-Pendulum-Labeled-Diagram.png Matematické kyvadlo.

Teleso s hmotnosťou m zavesené na niti s dĺžkou l. Gravitačné zrýchlenie je g. Výchylkou je uhol medzi niťou a zvislicou. Uvedené vzťahy platia len pre malé uhly \theta, pri väčších uhloch vzťahy potrebujú isté korekcie podľa grafu.

E_p=\frac{1}{2}mlg\theta^2 E_k=\frac{1}{2}ml^2\dot{\theta}^2 \omega=\sqrt{\frac{g}{l}} f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{l}} T=2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}
Physical-Pendulum-Labeled-Diagram.png Fyzikálne kyvadlo.

Teleso s hmotnosťou m zavesené tak, že rotuje okolo osi, vzhľadom na ktorú má moment zotrvačnosti I. Vzdialenosť ťažiska (pôsobiska tiažovej sily) od osi otáčania je r_T. Gravitačné zrýchlenie je g. Výchylkou je uhol medzi niťou a zvislicou, ktorý by mal byť čo najmenší presne tak, ako pri matematickom kyvadle.

E_p=\frac{1}{2}mr_Tg\theta^2 E_k=\frac{1}{2}I\dot{\theta}^2 \omega=\sqrt{\frac{mr_Tg}{I}} f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{mr_Tg}{I}} T=2\pi\sqrt{\frac{I}{mr_Tg}}
Lc circuit.svg Elektrický LC obvod.

Obsahuje len kondenzátor s kapacitou C a cievku s indukčnosťou L. Vonkajšími vplyvmi možno vybudiť kmitanie, kde sa striedavo bude nabíjať kondenzátor a obvodom bude tiecť prúd (potom nasleduje nabitie kondenzátora na opačnú polaritu a prúd opačného smeru a cyklus sa opakuje). Náboj označujeme Q, prúd I. Platí

I=\dot{Q}

E_p=\frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} E_k=\frac{1}{2}L\dot{Q}^2 \omega=\sqrt{\frac{1}{LC}} f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{1}{LC}} T=2\pi\sqrt{LC}

Zložité oscilátory[upraviť | upraviť zdroj]

Vo svete okolo nás existuje skutočne nespočetné množstvo vecí, ktoré môžu kmitať. Ich pohyb je vo väčšine prípadov tlmený. V kryštáloch kmitajú atómy okolo svojich rovnovážnych polôh, dieťa na hojdačke je v istom zmysle zložitým fyzikálnym kyvadlom, teleso zavesené na skrútenom špagáte bude konať oscilácie v torzii a každá halúzka na strome, ktorú ohneme a pustíme sa začne nejako kymácať. To všetko možno naozaj považovať za oscilátory. Ak sa rozruch šíri prostredím, môže vzniknúť vlna. To je napríklad prípad gitary alebo ladičky.

Tu sú príklady jednoduchých i zložitých oscilátorov, rezonátorov, prípadne vlnení z rôznych oblastí vedy:

Mechanika[upraviť | upraviť zdroj]

Elektromagnetizmus[upraviť | upraviť zdroj]

Biológia[upraviť | upraviť zdroj]

Tlmené kmity[upraviť | upraviť zdroj]

Tlmené kmity v prípade telesa na pružine

Rovnice tlmených kmitov[upraviť | upraviť zdroj]

V reálnom svete vždy existuje trenie a rôzne iné odporové sily, ktoré spôsobujú, že oscilujúci systém postupne stráca energiu a jeho amplitúda sa s časom zmenšuje. Akokoľvek by sme sa snažili zamedzovať týmto nepriaznivým vplyvom, obmedzuje nás druhý zákon termodynamiky, podľa ktorého sa mechanická energia postupne premieňa na vnútornú tepelnú energiu. Závislosť odporových síl od výchylky a jej časovej derivácie môže byť vo všeobecnosti veľmi zložitá. V najjednoduchšom modeli je odporová sila priamo úmerná prvej časovej derivácii výchylky a pôsobí proti narastaniu výchylky. V prípade telesa na obrázku vpravo odporová sila vzduchu pôsobí vždy proti smeru pohybu tohto telesa.

V spomínanom ideálnom prípade možno zapísať pre časový vývoj výchylky nasledovnú diferenciálnu rovnicu:

M^* \ddot{x} + c \dot{x} + K^* x = 0

kde m, k a c by sme získali analýzou síl pôsobiacich na systém. Ak obe strany rovnice vydelíme M^*, dostaneme

\ddot{x} + { c \over M^*} \dot{x} + {K^* \over M^*} x = 0

Aby sa rovnica zjednodušila, zaveďme substitúcie

\omega_0 = \sqrt{ K^* \over M^* }
\zeta = { c \over 2 \sqrt{K^*M^*} }.

Prvý parameter sa nazýva vlastná uhlová frekvencia a určuje uhlovú frekvenciu v prípade, keby neexistovali žiadne tlmiace vplyvy. Druhý parameter je tlmenie. Tlmenie je bezrozmerná fyzikálna veličina.

Diferenciálna rovnica teraz nadobudla tvar

\ddot{x} + 2 \zeta \omega_0 \dot{x} + \omega_0^2  x = 0

Táto diferenciálna rovnica sa väčšinou rieši s predpokladom, že hľadané riešenie x(t) má tvar

 x = e^{\gamma t}

kde \gamma je vo všeobecnosti komplexné číslo. Tento predpoklad nie je len tipom, ale vychádza z poznatku, že deriváciou exponenciálnej funkcie je opäť funkcia exponenciálna funkcia a v našej rovnice sa súčet jednotlivých derivácií musí rovnať nule.

Po dosadení a vydelení členom e^{\gamma t} dostávame jednoduchú rovnicu

\gamma^2 + 2 \zeta \omega_0 \gamma + \omega_0^2 = 0

To je jednoduchá kvadratická rovnica s dvoma riešeniami

\gamma_{1,2} = \omega_0( - \zeta \pm \sqrt{\zeta^2 - 1})

Správanie systému pri tlmených kmitoch[upraviť | upraviť zdroj]

V závilosti na veľkosti tlmenia \zeta možno rozlíšiť 3 situácie popísané v tabuľke

Tlmenie Hodnota \gamma Popis správania Ilustračný diagram
\zeta<1 \gamma je komplexné číslo Systém bude oscilovať okolo rovnovážnej polohy, no amplitúda bude s časom klesať. Pre uhlovú frekvenciu kmitov platí vzťah:

\omega=\omega_0\sqrt{1-\zeta^2}

Damped oscillation graph.svg
\zeta=1 \gamma_{1,2}=\pm\omega_0 Kritické tlmenie

Priebeh oscilácií je popísaný rovnicou

x(t)=\frac{1}{2}((x(0)+\frac{\dot{x}_0}{\omega_0})e^{\omega_0 t}+(x(0)-\frac{\dot{x}_0}{\omega_0})e^{-\omega_0 t})

RLC-serial-Critical Damping.PNG
\zeta>1 \gamma je reálne číslo Komplikovaný priebeh, ide o veľmi veľké tlmenie a oscilácie preto nemožno pozorovať RLC-serial-Over Damping.PNG

Nútené kmity[upraviť | upraviť zdroj]

O nútených kmitoch hovoríme, ak existuje vonkajšia budiaca sila F(t). Uvažujúc tlmenie má pohybová rovnica tvar

M^* \ddot{x} + c \dot{x} + K^* x = F(t)

V ideálnom prípade má budiaca sila harmonický priebeh s uhlovou frekvenciou \omega. V ustálenom stave je potom frekvencia oscilácií sústavy rovná frekvencii budiacej sily. Amplitúda je funkciou budiacej frekvencie. V prípade, že budiaca frenvencia \omega je veľmi blízka vlastnej frekvencii \omega_0 oscilátora, dochádza k rezonancii. Ide o jav, keď malá budiaca sila vybudí systém k oscilácií s veľmi veľkými amplitúdami. Každý oscilátor možno charakterizovať rezonančnou krivkou a kvalitou oscilátora. Rezonančná krivka je závislosť amplitúdy oscilácií od budiacej frekvencie, kvalita oscilátora súvisí so šírkou rezonančnej krivky.

Využitie rovnice harmonických kmitov pri riešení fyzikálnych úloh[upraviť | upraviť zdroj]

Harmonické kmity majú široké uplatnenie aj pri riešení fyzikálnych úloh na prvý pohľad nesúvisiacich s kmitavým pohybom. Využívame pri tom jednoduchý princíp, že rovnaké rovnice majú rovnaké riešenie. Zmena parametra v rovnici spôsobí zmenu parametrov v jej riešení. Ale, až na konštanty je riešenie rovnaké. Tu sú dva príklady takýchto úloh.

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]