Αναγκαστικές ταλαντώσεις και συντονισμός

Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις είναι ταλαντώσεις του σώματος που δεν συμβαίνουν φυσικά. Οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις μπορούν επίσης να αναφέρονται ως οι δονήσεις ενός συστήματος ή ενός σώματος που ταλαντώνεται υπό την επίδραση μιας εξωτερικής περιοδικής δύναμης. Επίσης, η νέα συχνότητα του ταλαντούμενου σώματος είναι διαφορετική από τη φυσική του συχνότητα. Οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις είναι το αντίστροφο των ελεύθερων ταλαντώσεων στις οποίες το σώμα μπορεί να κάνει ταλαντώσεις ανεξάρτητα, για παράδειγμα, ελεύθερο κινούμενο εκκρεμές. Επιπλέον, όταν μιλάμε για συντονισμό, είναι μια συχνότητα ειδικών περιπτώσεων όπου η φυσική συχνότητα του σώματος είναι ίση με την κινούμενη ή εξαναγκασμένη συχνότητα του σώματος.

Ελεύθερες ταλαντώσεις

Ας εξετάσουμε μια περίπτωση απλού εκκρεμούς που ταλαντώνεται με κάποια συχνότητα. Μόλις το εκκρεμές μετατοπιστεί από τη μέση θέση του, εκτελεί κίνηση πέρα ​​δώθε. Δονείται ελεύθερα με τη δική του φυσική συχνότητα. Τέτοιες ταλαντώσεις λέγεται ότι είναι ελεύθερες ταλαντώσεις.

• Επομένως, οι ελεύθερες ταλαντώσεις μπορούν να οριστούν ως ταλαντώσεις που κατέχει ένα σώμα το οποίο, αφού τεθεί σε ταλαντώσεις, είναι ελεύθερο να δονείται με τη δική του φυσική συχνότητα.
• Οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η φυσική συχνότητα της ελεύθερης ταλάντωσης είναι η δομή του σώματος και η φύση του σώματος.
• Επίσης, η συχνότητα, το πλάτος και η ενέργεια του δονούμενου σώματος παραμένουν σταθερά ώστε ένα σώμα να εκτελεί ελεύθερες ταλαντώσεις.

Αποσβεσμένες ταλαντώσεις

Όταν ένα σώμα σαν απλό εκκρεμές αφήνεται να ταλαντώνεται ελεύθερα, παρατηρούμε ότι το εκκρεμές επανέρχεται στην αρχική του θέση μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Αυτό συμβαίνει λόγω ορισμένων παραγόντων όπως η αντίσταση του αέρα κ.λπ., που αντιστέκονται στην κίνηση του εκκρεμούς. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια επίδραση στο πλάτος της δόνησης του σώματος. Το πλάτος των κραδασμών μειώνεται με το χρόνο. Το σώμα εκτελεί τότε αποσβεσμένους κραδασμούς.

Αναγκασμένες ή οδηγούμενες ταλαντώσεις

• Οι εξαναγκασμένες ή οδηγούμενες ταλαντώσεις είναι εκείνες οι δονήσεις κατά τις οποίες το σώμα ταλαντώνεται υπό την επίδραση μιας εξωτερικής περιοδικής δύναμης, με συχνότητα διαφορετική από τη φυσική συχνότητα του ταλαντούμενου σώματος.
• Στην περίπτωση εξαναγκασμένων δονήσεων, το σώμα δονείται με τη συχνότητα που οφείλεται σε εξωτερική δύναμη.
• Επίσης, το πλάτος για τέτοιες ταλαντώσεις είναι συνήθως μικροσκοπικό.
• Η έκφραση για την εξωτερική κινητήρια δύναμη δίνεται από: 

F(t) =F0cos⍵dt

Θυμηθείτε ότι η κίνηση του σώματος ή οι δονήσεις που προκαλούνται σε ένα σώμα οφείλονται στη συνδυασμένη δράση: 

• Επαναφορά δύναμης, δηλαδή F=-kx 
• Δύναμη απόσβεσης, δηλαδή F=-bv, όπου b είναι σταθερά απόσβεσης 
• Κινητή δύναμη, δηλαδή F(t)

Συνδυάζοντας και τα τρία, παίρνουμε, 

ma=-kx-bv+F0cos⍵dt

Η επίλυση της παραπάνω εξίσωσης θα μας δώσει τη λύση ως?

x=x0sin(⍵dt+ ɸ)

Η έκφραση για τη φυσική συχνότητα θα ήταν:

⍵0  =k/m =φυσική συχνότητα

Συντονισμός

Με λίγα λόγια, ο συντονισμός είναι η διαδικασία όπου ένας ταλαντωτής λαμβάνει δονήσεις οδηγώντας τη συχνότητα μακριά και σχεδόν φυσική συχνότητα. Επιπλέον, ο συντονισμός είναι η ειδική περίπτωση εξαναγκασμένης δόνησης. Οι συχνότητες της εξωτερικής δύναμης και της φυσικής δύναμης είναι εντελώς ίδιες σε αυτή την περίπτωση. Οι δονήσεις ονομάζονται δονήσεις συντονισμού κάθε φορά που το σώμα ταλαντώνεται με τέτοιες ιδιότητες. Επίσης, μια περίπτωση συντονισμού αυξάνει σημαντικά το πλάτος του σώματος αφού επηρεάζεται.

Παραδείγματα συντονισμού είναι τα εξής:

1. Όταν ένα γιγάντιο ηχοσύστημα είναι ενεργοποιημένο γύρω από εσάς ή το σπίτι σας – Μπορείτε πάντα να παρατηρήσετε το τρέμουλο που εμφανίζεται στους τοίχους και τα έπιπλα του σπιτιού κάθε φορά που ενεργοποιείται ένα δυνατό ηχητικό σύστημα γύρω του. Αυτό συμβαίνει λόγω των συχνοτήτων συντονισμού των επίπλων που αντηχούν με τη συχνότητα του θορύβου μιας μουσικής, αναγκάζοντας τη δόνηση των επίπλων.
2. Εκκρεμές – Η αιώρηση και το εκκρεμές λειτουργούν και τα δύο μαζί με την ίδια προϋπόθεση. Το εκκρεμές θα ταλαντεύεται προς τα πίσω και προς τα εμπρός όταν το πιέζουμε. Η κίνηση του εκκρεμούς μπορεί να αυξηθεί εάν συνεχίσετε να πιέζετε στο ίδιο χρονικό πλαίσιο. Η ορμή του εκκρεμούς μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω δίνοντάς του τακτικές ωθήσεις. Είναι η συχνότητα συντονισμού, ο αριθμός των φορών κατά τις οποίες το εκκρεμές θα κινείται προς τα εμπρός και προς τα πίσω ανά δευτερόλεπτο.
3. Φούρνος μικροκυμάτων – Μπορούμε να δούμε ότι το φαγητό σίγουρα ζεσταίνεται στο φούρνο. Έγινε από την απήχηση. Τα μικροκύματα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε καθορισμένο μήκος κύματος και συχνότητα. Και τα μόρια του νερού και του λίπους έχουν επίσης συχνότητες συντονισμού. Σε συγκεκριμένες συχνότητες, τα μόρια απορροφούν την ακτινοβολία και θερμαίνονται.

Συμπέρασμα

Από τα παραπάνω, έχουμε περάσει από διάφορες πτυχές εξαναγκασμένων ταλαντώσεων και συντονισμού. μάθαμε ότι οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις είναι το αντίστροφο των ελεύθερων ταλαντώσεων. Οι δονήσεις των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων μπορούν να παρατηρηθούν μόνο όταν υπάρχει μια συγκεκριμένη εξωτερική δύναμη που ενεργεί στο σώμα. Επιπλέον, ο συντονισμός είναι το φαινόμενο όπου το σώμα έχει αυξημένο πλάτος και έχει (σχεδόν) ίση οδήγηση και φυσική συχνότητα.