Колебательные процессы в природе и технике. Колебательные процессы в природе реферат

Колебательный процессы в живой природе. Работа ученика 7

Описание презентации Колебательный процессы в живой природе. Работа ученика 7 по слайдам

Колебательный процессы в живой природе. Работа ученика 7 -А класса Стрижака Семёна

Колебательное движение O Колебательное движение — это движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени. Учение выделяют, что это обусловлено общностью закономерностей колебательного движения различной природы и методов его исследования. Механические, акустические, электромагнитные колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Колебательное движение свойственно всем явлениям природы. Внутри любого живого организма непрерывно происходят ритмично повторяющиеся процессы, например биение сердца.

Виды колебаний O Свободные колебания — это колебания, происходящие в системе, предоставленной самой себе, после выведения ее из состояния устойчивого равновесия (например, колебания груза на пружине). O Автоколебания — свободные колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, включение которого в нужные моменты времени осуществляет сама колеблющаяся система (например, колебания маятника часов).

O Механические колебания — это любой физический процесс, характеризующийся повторяемостью во времени. O Параметрические колебания — это колебания, в процессе которых происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы (например, раскачива ние качелей: приседая в крайних положениях и выпрямляясь в среднем положении, человек, находящийся на качелях, изменяет момент инерции качелей).

O Вынужденные колебания — это колебания, обусловленные внешним периодическим воздействием (например, электромагнитные колебания в антенне телевизора).

present5.com

Колебательные процессы в природе и технике

ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

Колебательные процессы характерны для всей живой н неживой природы от клетки до сообществ организмов и от атома до галактик. Они играют заметную роль и в нервно психической жизни человека и даже в сфере со­циальных явлений. Несомненна поэтому и мировоззрен­ческая роль науки о колебаниях. Можно было бы приве­сти много ярких высказываний по этому поводу, принад­лежащих как мыслителям прошлого, так и нашим совре­менникам [5, 143, 222, 239].

Между тем, как это ни парадоксально, до сих пор отсутствует общее понимание причин, по которым при­рода часто «предпочитает» колебания монотонному тече­нию процессов. Можно лишь догадываться, что колеба­тельные процессы характеризуются определенной опти­мальностью. Однако в вибрационных процессах и устрой­ствах, о которых пойдет речь в этой книге, такая оптимальность (или по крайней мере целесообразность), как правило, легко усматривается. Так, эффективность использования вибрации в обогащении полезных иско­паемых часто связана с тем, что при вибрации силы типа сухого тренпя, препятствующие разделительным процес­сам под действием слабых факторов (например, разности в плотности частиц), как бы превращаются в силы вяз­кого трения, при которых такие факторы могут прояв­ляться.

Показать и объяснить высокую эффективность вибра­ционных процессов и устройств — одна из главных задач настоящей книги[1]).

Вибрационная техника в пастоящее время производит (а отчасти уже произвела) подлинную технологическую революцию в ряде областей промышленности. Так, сей­час трудно себе представить без вибрационных машин предприятия по обогащению полезных ископаемых, по производству строительных материалов и конструкций, по переработке зерна.

Несмотря на то что все физические колебательные системы не - линейпы, ряд прикладных задач теории механических колебаний может быть успыипо рассмотрен в линейной постановке, т. е. без учета нелипейпых факторов.

Действие внешней вибрации па линейные системы в принци­пиальном плане исчерпывающим образом изучено; главпые ка­чественные закономерности группируются здесь вокруг явления резонапса. Однако даже эти относительно простые закономерно­сти в вибрационной техпике (в отличие от электро - и радиотех­ники) используются еще далеко не полпостью. Что же говорить о нелинейных колебаниях, которые характеризуются исключитель­ным качественным разнообразием и при исследовании которых до сих пор обнаруживаются все повые замечательные эффекты? Так, совсем недавно, с одпой сторопы, была осозпапа возможность весьма сложного, хаотического поведения относительно про­стых нелинейных систем всего лишь с полутора степенями сво­боды [68, 136], а с другой — возможность согласованного (енп - хроппого, когерентного) поведения сложных систем с очень боль­шим числом степеней свободы [35, 42].

Важпая особенность пелипенпых систем состоит в том, что пх колебапия не обязатольпо должны «приходить извне». Они могут возникать и устойчиво поддерживаться в самой колебательной системе. Речь идет об автоколебаниях, в изучении которых (как и нелинейных колебаний вообще) отсчествсппая научная школа сыграла выдающуюся роль.

Технические приложения обобщенного принципа автобалапсировки

13.2.1. Групповые фундаменты под неуравновешенные машины. В последние годы все большее распространение получают единые (групповые) фундаменты под несколь­ко однотипных неуравповешепных машин, которые жест­ко связаны с фупдаментом и приводятся от двигателей …

Об асинхронном подавлении и возбуждении автоколебаний

В пастоящем разделе нельзя пе сказать о двух важных цели­ной них явлениях — явлении асинхронного подавления и асин­хронного возбуждения автоколебаний [4, 136]. В первом случае автоколебательная система определенного ви­да, генерирующая …

ВИБРАЦИЯ РАСШАТЫВАЕТ КОНСТРУКЦИИ II ВЫЗЫВАЕТ НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ

В машинах часто встречаются разъемные соединения деталей, относительная неподвижность которых обеспечи­вается в расчете на силы сухого трения. К их числу отно­сятся разнообразные резьбовые соединения, соединения, обеспечиваемые посадками с натягом, и …

msd.com.ua

Колебательные процессы в природе и технике — реферат

В 1861 году известный французский  ученый Фуко построил маятник, при помощи которого можно убедиться в том, что Земля вращается.

3.2 Часы

Современные часы бывают разнообразной формы и могут  иметь различное строение. Все происходит во времени и время нужно точно определять и измерять.

Всегда ли люди имели  точные способы измерения времени?

Уже в старинные времена  человек начинает измерять время. Периодические  восход и закат Солнца становятся главным фактором для измерения времени. Часы дня измеряют по высоте Солнца над горизонтом; так возникли солнечные часы.

Затем изобрели водяные  часы - клепсидр .Время действия клепсидра  можно было рассчитать на сутки, часы и минуты, в зависимости от вместимости  сосуда и диаметра отверстия через который вытекала вода. Разновидность клепсидра – песочные часы.

Только в Х11в. были изобретены колесные часы с гирями. Позднее эти часы усовершенствовали. Галилей открыл явление: маятник  сохраняет постоянство периода  колебаний. Позднее он высказал мысль о возможности применения маятника в часах, но осуществить это удалось только в середине ХYII столетия голландскому ученому Гюйгенсу.

Чтобы обеспечить равномерный  ход часов, Гюйгенс создал специальный  механизм. К оси маятника был пристроен специальный согнутый равноплечий рычаг, имевший два зубца, которыми он сцеплялся с ходовым колесом. Последнее приводилось в движение гирей, которая была подвешена к цепи, переброшенной через зубчатое колесо. Так маятник стал механизмом для равномерного хода часов. Колесные часы потом заменили на часы с пружинным заводом.

3.3 Проводники звука

                Где бы мы ни находились, что бы ни делали – нас всюду сопровождают различные звуки.

Мы привыкаем к обычным  звукам и часто не замечаем их.

Для восприятия звуков человек  имеет тончайший аппарат – ухо. Слух, имеет огромную роль и в жизни животных. Он помогает животным выслеживать добычу, предупреждает их об опасности.

Звуковая волна может  проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак- на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложите ухо к рельсам, ивы услышите шум приближающегося  поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух. Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Перед Куликовской битвой князь Дмитрий Донской сам выехал на разведку в поле и , приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ.

Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо  слышать, как стучат друг о друга  камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а так же для измерения морских глубин.

Для звука есть только одна преграда, и ее легко обнаружить. Если завести будильник и накрыть  его колпаком, то звук будет слышен. Но если из-под колпака выкачать воздух, то звук исчезнет. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. Должна быть обязательно упругая среда. Звуковая волна – чередование сгущений и разряжений. А если нет среды, то что будет сгущаться?

3.4 Шум и борьба с ним

По действию, производимому  на нас, все звуки делятся на музыкальные звуки и шумы. Чем они отличаются друг от друга? Чистый музыкальный звук всегда имеет определенную частоту. Шум – это множество самых различных, одновременно несущихся звуков.

Шум (особенно громкий) вредно отражается на здоровье и трудоспособности людей. Продолжительное действие шума вызывает утомление. В природе громкие звуки редки. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение. Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, шум прибоя приятны человеку. Они успокаивают, снимают стресс.

Длительный шум неблагоприятно влияет на органы слуха, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток.

Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового  давления – децибелах:. 20-30 децибел  – безвредно для здоровья

80 – допустимая граница

130 – вызывает у  человека болевые ощущения в  ухе и даже чувствует кожей

150 – непереносимость  ( в средние века “ казнь  под колоколом”)

Развивая технику, человек  заменяет труд человека работой машин. А это влечет увеличения шума. Следовательно, открываются и новые пути борьбы с ним.

Моторы, машины закрываются  оболочками, поглощающими звук. Телефонные будки обиваются прессованными плитками. Ставятся особые фундаменты. Двойные стены, двойные или даже тройные окна. Но защититься от внешнего шума очень трудно.

3.5. Как слышит ухо

Для улавливания звука  у человека и у животных есть специальный орган – ухо. Это – необычайно тонкий аппарат. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определенные ощущения, которые и воспринимаются нашим сознанием.

С давних пор человека интересует устройство и работа этого  удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко не все в этой области выяснено.

Орган слуха делится  на три части: наружное, среднее и  внутреннее ухо. Наружное ухо – ушная  раковина. От нее идет слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой.

Для свободного колебания перепонки необходимо, чтобы давление с обеих сторон было одинаковым.

В среднем ухе находится  ряд косточек. Они предают колебания  во внутреннее ухо. Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны и  некоторые из них до сих пор  не изучены.

Звуковые волны, попадая  в слуховой канал, приводят в колебание  барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебание передается жидкости улитки внутреннего уха. Волнообразное  движение этой жидкости влечет за собой  раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания. Но этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться костями черепа.

Не все люди одинаково  чувствительны к звукам разной частоты. Дети без напряжения могут воспринимать звуки частотой до 22000Гц. У стариков чувствительность ограничена . 10 – 12 тысяч.

3.6 Неслышимые звуки

Мир звуков, которые слышит наше ухо, занимает область от 18 до 20000 Гц. Колебания, лежащие за этими границами  нам не слышны, но природа этих колебаний тождественна со слышимыми звуками, их относят к категории звуков. Эти колебания могут восприниматься животными и насекомыми. Колебания с частотами ниже 16 Гц – инфразвуки, а колебания с частотой выше 20000 Гц – ультразвуки. Область слышимых звуков не имеет четких границ. Мы можем слышать инфразвуки, лежащие близко к нижней границе звука. Дело в том, что инфразвуки, как правило, сопровождаются слышимыми призвуками ( обертонами ). Родство таких инфразвуков со звуком ухо способно ощущать.

Нечетко очерчена и верхняя граница. Ультразвуки с частотой до 24000Гц могут восприниматься людьми с очень острым слухом. Выше этого предела ультразвуки слышат многие животные и насекомые (например, летучие мыши слышат ультразвуки с частотой до 70000 Гц).

Инфразвуковые колебания легко возникают в длинных трубах. Например, 10-метровая труба органа дает основной тон частотой около 16 Гц. Звук этой трубы подобен раскату грома. Инфразвуки возникают в печных и фабричных трубах при топке.

Один из интереснейших  видов инфразвуков – это “голос моря”. При шторме на море ветер возбуждает вихри, периодически срывающиеся на гребнях волн. Получающиеся при этом колебания воздушной струи распространяются вдаль в форме инфразвука и могут быть обнаружены на расстоянии в сотни километров.

Явления, близкие к  инфразвуку, представляют собой колебания, возникающие при выстрелах и  взрывах.

Самым интересным свойство инфразвуков является их способность  распространяться на очень далекие  расстояния.

3.7 Ультразвук – помощник человека

          Еще большее применение, чем инфразвуки, находят ультразвуки.

Жидкость “вскипает” при прохождении ультразвуковой волны. При этом возникает гидравлический удар. Они могут отрывать кусочки  от поверхности металла и производить  дробление твердых тел. С помощью ультразвука можно смешать несмешивающиеся жидкости. Так готовятся эмульсии на масле.

При действии ультразвука  происходит омыление жиров. На этом принципе устроены стиральные устройства.

Интересны биологические  эффекты ультразвука. Ультразвуки  ослабляют жизнедеятельность бактерий, уменьшают рост молочнокислых и туберкулезных бактерий.

Широко используется ультразвук в гидроакустике. Ультразвуки  большой частоты поглощаются  водой очень слабо и могут  распространяться на десятки километров. Если они встречают на своем пути дно, айсберг или другое твердое тело, они отражаются и дают эхо большой мощности. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот.

В металле ультразвук распространяется практически без  поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри детали большой толщины.

Дробящее действие ультразвука  применяют для изготовления ультразвуковых паяльников.

Ультразвук применяют  для улавливания мельчайших частичек сажи, в сернокислотной промышленности для осаждения тумана серной кислоты.

3.8 Резонанс

Резкое возрастание  амплитуды вынужденных колебаний  при совпадении собственной частоты  и частоты вынуждающей силы называется резонансом.

Резонанс возникает  из-за того, что внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями тела, все время совершает положительную работу. За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается и амплитуда колебаний возрастает.

Явление резонанса может  играть как полезную, так и вредную  роль.

На применении резонанса  основано действие язычкового частотометра. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту системы. Маленький ребенок может раскачать язык большого колокола, если будет действовать на веревку в такт со свободными колебаниями языка.

С резонансом можно встретиться и тогда, когда это совсем нежелательно. Так, например, в 1750 году близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи колебаний моста резко увеличились, и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 году по той же причине  обрушился подвесной мост около  Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 году из-за резонанса  разрушился и так называемый Егитпетский  мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям приказывают “сбить ногу” и идти не строевым, а вольным шагом.

Чтобы избежать резонанса  при переезде поезда через мост, он проходит его либо на медленном ходу, либо на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

С резонансом можно встретиться  не только на суше, но и в море и  даже в воздухе. Так, например, при  некоторых частотах вращения гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре развития авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

3.9 Сейсмические станции

Наблюдения с помощью современных чувствительных приборов показывают, что земная кора почти непрерывно колеблется. Большую часть таких колебаний мы не замечаем, и они не производят заметных перемен на поверхности Земли. Но многие из них – катастрофические явления – надолго оставляют по себе память.

Это явление природы  изучает наука сейсмология.

Ильные землетрясения  принадлежат к числу наиболее грозных явлений природы. Для  наблюдения за землетрясениями и  изучения причин, вызывающих их, созданы  специальные пункты – сейсмические станции. Такие стации имеются во многих городах.

В темном помещении, на особом основании, отделенном от фундамента и  пола здания, стоит главная аппаратура – сейсмограф, маленький прожектор  и барабан. В других комнатах размещены  часы, электроприборы. Сейсмограф – это необыкновенно чуткое ухо. Он “ слышит” самые незначительные колебания и отдаленные колебания земной коры.

Изучая записи колебаний, можно судить, какова структура глубин Земли. Землетрясения возникают  в результате передвижек земной коры. Они распространяются на большие расстояния. Но бывают землетрясения, вызванные вулканическими извержениями.

Для уменьшения катастрофических последствий землетрясений разработаны способы строительства сооружений, не разрушающихся от подземных толчков.

3.10 Эхо

Эхо – это звуковые волны, отраженные от какого – либо препятствия ( зданий, холмов, леса т.п.) и возвратившееся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные промежутком  времени 50-60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо, приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов.

yaneuch.ru

Колебательные процессы в природе и технике — реферат

В повседневной жизни  мы имеем дело, чаще всего, со звуком, распространяющимся в воздухе. Однако он может распространяться и в других средах: в воде, земле, металлах. Скорость звука в этих средах больше скорости звука в воздухе. Звук быстрее распространяется в твердом теле (земле), чем в воздухе. Уши человека в данном случае являются приемником звука. Для характеристики звука существуют три главных понятия:

2.1 Громкость

Громкость звука. Она  определяется действием звука на орган слуха, ее трудно оценить объективно.

Громкость звука зависит  от:

·  Амплитуды колебаний - чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

 Хотя амплитуда колебаний источника звука может быть велика, амплитуда частиц передающей среды, воздуха, очень мала (за исключением частиц, находящихся очень близко к источнику, амплитуды которых очень близки к амплитудам самого источника). Ухо чувствительно к амплитудам колебания воздуха порядка одной миллиардной сантиметра и к еще меньшим амплитудам колебаний частиц жидкостей и твердых тел. Колебаний частиц воздуха с амплитудой в одну сотую сантиметра создают такой громкий звук, который способен нанести повреждения уху.

На практике часто звук измеряют в децибелах (дБ). Вот при меры громких различных звуков на расстоянии в несколько метров от источника  звука: шелест листьев - 1 О ДБ, громкий разговор - 70 дБ, пылесос - 50 дБ. от звучащего музыкального инструмента волна распространяется во все стороны, и на расстоянии от него громкость звука, естественно, уменьшается. Для усиления звука служат корпусы инструментов.

·  Частоты - чем больше частота колебаний, тем громче звук, тем выше высота тона.

Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет  частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом, но принимается нечасто, слишком уж басовит. Разобрать и понять его трудно.

Зато 27 колебаний в  секунду - тон, вполне ясный для уха, хоть тоже редкий.

Вы услышите его, нажав  крайнюю клавишу рояля.

Следующий любопытный тон - 44 колебания в секунду, абсолютно «нижний» рекорд мужского баса, поставленным в восемнадцатом веке певцом                                  Каспаром Феспером.

Поднимаемся дальше. Вот 80 колебаний в секунду - обыкновенная нижняя нота хорошего баса и инструментов. Удвоив число колебаний (повысив звук на октаву), приходим к тону, доступному виолончелям, альтам. Здесь отлично себя чувствуют и басы, и баритоны, и тенора, и женские контральто.

А еще октава вверх - и  мы попадем в тот участок диапазона, который буквально «кишит» музыкой. Тут работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Недаром, именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона - 440 колебаний в секунду (ля» первой октавы).

Вплоть до 1000-1200 колебаний  в секунду звуковой диапазон полон музыкой.  Эти звуки самые слышные. Выше следуют мало населенные «этажи». Легко взбираются на них лишь скрипки, флейты да такие универсалы, как орган, рояль, арфа. А с 16000-20000 колебаний в секунду начинается недоступный уху человека сверхвысокий ультразвук. Профессий у него масса. Он сверлит камень, счищает ржавчину, измельчает материалы, стирает белье, измеряет глубину рек и морей, лучше рентгена просвечивает тело. И все это делает молча.

           ·  От качества – тембра

Получить чистый звук со строго определенной частотой колебаний, даже при полном отсутствии посторонних  шумов, очень трудно, и  вот почему. Любое колеблющееся тело издает не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются, поэтому обертонами, т. е. верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они - то и помогают нам определить звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны предают своеобразную окраску, или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.

 Громкость звука  - субъективное качество слухового  ощущения, позволяющие располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

2.2 Скорость звука

Для распространения  звука необходима упругая среда. В вакууме звуковые волны распространяться не могут.

В воздухе скорость звука  впервые была измерена в 1636 г. французом М. Марсенном. При температуре 200С она составила 343 м/с. Для примера, начальная скорость пули из пулемета Калашникова 825 м/с, что превышает скорость звука в воздухе. Пуля обгоняет звук выстрела и достигает своей жертвы до того, как приходит звук.

Скорость звука зависит от температуры среды: с увеличением температуры воздуха она возрастает. В разных газах скорость звука различна: чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость в нем (в водороде -1284 м/с, а в кислороде - 316 м/с).

         В жидкостях скорость звука, как правило, больше скорости звука в газах. 1826 г. Ж. Каллад и Я. Штурм впервые измерили скорость звука в воде на Женевском озере в Швейцарии. При температуре 80С она оказалась равна 1440 м/с. Скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах. Если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса можно услышать два звука. Один из них достиг уха по рельсу, другой по воздуху.

Хорошо проводит звук земля, поэтому в старые времена при осаде крепостей в стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землей, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет.

Твердые тела хорошо проводят звук. Благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.

2.3  Отражение звука. Эхо.

Звуковая волна, распространяясь  в некоторой среде, рано или поздно доходит до границы этой среды, а за ней начинается другая среда, состоящая из других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. Отражение происходит потому, что колебания, принесенные волной к границе, передаются частицам второй среды, и они становятся сами источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна. С явлением отражения звука связано такое явление как эхо. Оно состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник. И если первичный звук и звук отраженный доходят не одновременно, то он слышит звук дважды.

В комнате первичный  звук и отраженный доходит одновременно. Кроме того шторы и мебель частично поглощают отраженный звук, поэтому звуки не искажаются эхом и звучат четко и разборчиво.

В больших залах звуки речи отражаются от стен, потолков, воспринимаются как отдельные. В результате этого каждый слог растягивается, и речь становится мало разборчивой. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами.

2.4. Ультразвук и инфразвук

         Колебания с частотой от единиц Герц до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 108 кГц, а колебания с частотой более 108 кГц получили название гиперзвуки.

1. Ультразвуковые колебания, имея большую частоту, в сравнении со звуковыми колебаниями при одинаковой скорости распространения, характеризуются значительно более короткими длинами волн. Ультразвуковые колебания в различных средах с длиной волны, не превышающей 1…10 мм, по своим свойствам аналогичны световым лучам. Это позволяет не только фокусировать колебания, но и формировать направленное излучение, то есть направлять энергию в нужном направлении и сосредотачивать ее в нужном объеме.

               2. УЗ колебания могут распространяться в любых материальных средах (в прозрачных и непрозрачных средах, проводниках и диэлектриках и т.п.), что позволяет использовать их для исследования и воздействия на полимеры, металлы, жидкости, газы и др.

       3. Мощность ультразвуковых колебаний, распространяемых в средах, пропорциональна квадрату частоты, и поэтому, в отличие от мощности звуковых колебаний - очень велика. Мощность ультразвуковых колебаний может достигать сотен киловатт, а интенсивность (энергия, распространяемая через единицу площади в единицу времени) - 1...1000 Вт/см2. При таких интенсивностях ультразвукового воздействия внутри материальных тел может распространяться очень большая энергия механических колебаний. В ходе распространения волны (в колебательном процессе) возникают перепады звукового давления, превышающие десятки мПа.

         Кроме того, не следует забывать, что это давление меняет свой знак, переходя в разряжение с частотой большей 20 тысяч раз в секунду. Возможность ввода огромных энергий позволяет повышать эффективность множества различных технологических процессов, создавать новые материалы, получать новые вещества, решать многие вопросы технологического контроля и измерений. Эти свойства положены в основу применения УЗ.

      В настоящее время активно развивается новая область знаний - биоакустика, изучающая формы, способы и системы звукового общения. Оказывается, многие живые существа в процессе эволюции научились использовать ультразвуковые колебания для ориентации в пространстве. Ученые выявили множество различных примеров использования ультразвука животными. Чаще всего это сигналы предупреждения об опасности, выражения угрозы, удовлетворения, победы и т.д.

       Развитие биоакустики подогревается не праздным любопытством, а требованиями практики. Знания, добываемые биоакустиками, используются при проектировании новых приборов. Примеры использования полученных знаний: охрана от птиц аэродромов, защита полей от вредителей, управление поведением стадных животных. Наиболее широко ультразвук используется обитателями морей. Установлено, что в воде УЗ распространяется со скоростью 5300 км/ч. Ничто не может двигаться в воде быстрее, чем УЗ колебания. Если в воздухе источник мощностью в 100 кВт слышен на расстоянии 15 км, то в воде источник мощностью 1 кВт распространяется до 100 км. Вода прозрачна для ультразвука, как воздух для света. Колебания, излучаемые рыбами, креветками и другими морскими животными позволяют обнаруживать их рыбакам. Эти же излучения позволяют определять местонахождение косяка рыб и его размеры. Многие представители животного мира имеют возможность принимать и воспроизводить УЗ. Так, например, морская свинка, сова, серая мышь, барсук, водяные жуки, некоторые ночные бабочки воспринимают звуки с частотой до 100 кГц. Собаки и лошади слышат УЗ. Летучие мыши, дельфины, киты не могут существовать без использования ультразвука - он заменяет им зрение.

  Принцип ориентации летучих мышей  и дельфинов - эхолокация. Летучая  мышь способна обнаруживать в полете препятствия в виде проволочек диаметром 0,08 мм (в 24 раза меньше по размерам, чем  допускают теоретические расчеты). Дельфин на расстоянии 20 метров безошибочно подплывает к брошенной в воду дробинке. Механизмы эхолокации, созданные природой очень сложны и до конца не исследованы. Сегодняшний уровень техники позволяет смоделировать эхо-локатор дельфина. Но если у дельфина он весит 200 г., то созданный человеком аппарат весит более 100 кг.

3.  Колебательные процессы в природе и технике

3.1 Маятник на службе у человека

Самый простой маятник - это тяжелый шарик на тонкой нити. нам Именно он удобен для опытов. Период колебаний маятника зависит  от его длины, но не зависит от массы  шарика.

Поднявшись на высокую  гору с секундным маятником, мы могли  бы заметить, что он замедлил свои колебания. Что же замедлило колебания маятника? Ослабление силы тяжести на горе по сравнению с равниной.

Как известно, сила тяжести  изменяется обратно пропорционально  квадрату расстояния от центра Земли. На горе маятник находится дальше от него, чем на равнине. Сила тяжести уменьшилась, а поэтому замедлились колебания маятника.

Переезжая с маятниковыми часами, ученые давно заметили, что  при переезде с севера на юг часы начинают отставать. Это продолжается до самого экватора. Т.к. длина его  не меняется, то делаем вывод, что чем ближе к экватору, тем меньше весит груз.

В чем же причина этого  явления?

Ученые давно разгадали  эту загадку. На земле возникает  центробежная сила вследствие вращения Земли, а так же в сжатии земного  шара.

Маятник позволил узнать, какая Земля внутри, что долго не удавалось ученым. Об этом можно узнать, наблюдая при землетрясениях колебания земной коры, прошедшие через глубины Земли.

Морские приливы и  отливы известны с давних пор. Это  поднятая вода прямо под Луной. Наблюдения над горизонтальным маятником, проведенные русским астрономом А. Я. Орловым, открыли замечательное явление. В твердой земной коре под влиянием притяжения Луны поднимается, как и в океане, бугор прилива. Он не высок, 20-30 см, и без опоздания следует за Луной. По высоте твердого прилива можно рассчитать твердость Земли.

Притяжение тяжелых  масс увеличивает силу тяжести. Поэтому  маятник, находящийся на земной поверхности  над скоплением тяжелых руд, колеблется быстрее, чем в других местах. Открыв этим способом скопление руд, выбирают место для заложения разведочной скважины.

yaneuch.ru

Колебательные процессы в природе и технике — реферат

Полученная кривая называется синусоидой.

В идеальных колебательных  системах без трения синусоида будет  иметь вид.

Периодические изменения  во времени физической величины происходящие по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями.

На рисунке показан  вид получившейся кривой - синусоиды. Мы видим, что наибольшие отклонения груза от положения равновесия в обе стороны одинаковы по модулю и равны А. Это амплитуда колебаний.

Маятник начинает движение из крайней точки с координатой х=А. За время, равное периоду Т, маятник совершил полное колебание. После чего началось новое колебание.

Зная промежуток времени, за который маятник совершил показанные на графике колебания, можно определить их период, разделив это время на число колебаний: Т=t/N. Зная период можно найти и частоту.

Если график зависимости  координаты от времени какого-нибудь тела представляет собой синусоиду (косинусоиду), то в этом случае говорят, что и координата и само тело совершают гармонические колебания.

При совершении телом  гармонических колебаний не только его координата, но и такие величины, как сила, ускорение, скорость, тоже меняются по закону синуса (косинуса). Например, сила упругости и ускорение достигают своих наибольших значений в крайних положениях маятника, и равны нулю в положении равновесия. Дело со скоростью обстоят наоборот, т.е. в крайних положениях скорость равна нулю, а в положении равновесия скорость принимает свое максимальное значение.

 Необходимо отметить отличие гармонических колебаний от негармонических. Период гармонических колебаний не зависит от способа выведения системы из положения равновесия (например, от амплитуды колебаний).

1.4.   Превращение энергии при колебательных движениях

Вынужденные и  затухающие колебания.

          Если взять нити равной длины, а грузы - разной формы. Например, шарик и тонкую пластинку. Легко заметить, что колебания во второй системе будут затухать быстрее, чем в первой – это видно на рисунке (см.рис.1 и рис.2). Видно, что полная механическая энергия быстрее убывает во второй системе. Почему? Ясно, что любая колебательная система будет совершать колебания до тех пор, пока обладает энергией.

Рис.1

                                                                      Рис.2

Отводя маятник от положения равновесия, мы сообщаем системе начальную энергию. Она равна потенциальной энергии тела: Ер = mgh.

Отпустив маятник, мы видим, что  скорость  тела возрастает, а значит, возрастает и его кинетическая энергия. Из закона сохранения механической энергии· уменьшение Ер приводит к эквивалентному увеличению Ек. Для любой точки траектории, если в системе нет сил трения, справедливо: Е1 = Е2, Т.е.:

Mgh2+mv1² /2= mgh3+mv2² /2

Если тело находится в крайних  положениях, система обладает полной энергией Е, определяемой только потенциальной энергией. А в положении равновесия полная энергия равна максимальной кинетической энергии груза:

E= mv² /2

Важно понять, что составляющие полной энергии Ек и Ер не просто изменяются во времени, а изменяются периодически с заданным периодом колебаний в системе. Период изменения Ек и Ер в 2 раза меньше периода колебаний Т.

Обычно реальные системы обладают собственным трением, и присутствует сила сопротивления среды. Поэтому колебания в таких системах являются затухающими: полная механическая энергия начинает уменьшаться, т.к. уходит на преодоление сил трения. Следовательно, амплитуда колебаний уменьшается, и, когда работа силы трения становится равна по модулю исходной полной энергии в системе, колебания прекращаются.

Но на колебательную  систему может действовать периодическая  внешняя сила. Такая сила называется вынуждающей силой.                                              Вынужденные колебания - незатухающие и происходят до тех пор, пока действует вынуждающая сила.

Тряска автомобиля, движущегося  по неровной дороге, движение качелей, которые кто-то периодически подталкивает - все это вынужденные колебания.

Свободные колебания с течением времени затухают. Поэтому на практике чаще используются не свободные колебания, а вынужденные. Наиболее широко они применяются в различных вибрационных машинах.

1.5 Резонанс

       Вынужденные колебания позволяют создавать незатухающие колебательные системы.

Т.к. амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты действия внешней силы и  от длины нитей, на которых подвешены шарики, наблюдаем, что амплитуда возрастает по мере того, как частота приложения внешней силы приближается к собственной частоте нитяного маятника.

Если v =vсобст, наблюдается наибольшая амплитуда колебаний. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний называется резонансом.

Резонанс наступает, когда  частота действия внешней силы совпадает с частотой собственных колебаний в системе: v = v собст

Запустив маятник 1, мы заставим периодически деформироваться рейку, к которой прикреплены нити других маятников. Через некоторое время мы увидим, что маятник 6  будет совершать колебания с наибольшей амплитудой, чем остальные маятники. Это объясняется тем, что v1 = v6. Система начинает резонировать.

 С энергетической  точки зрения максимальной амплитуде соответствует максимальная энергия в системе. Это значит, что при v = v собст внешняя сила совершает самую большую полезную работу .

График зависимости  амплитуды от частоты называется резонансной кривой. На рисунке представлены две резонансные кривые для двух систем с одинаковыми собственными частотами.  .

В системах разные амплитуды при резонансе, т.к. поступающая энергия в систему используется по-разному. В системе II сила трения заметно меньше, чем в системе 1. Поэтому и пополнение полной энергии системы происходит по-разному.

Говоря о применении резонанса, следует сказать, что  в отдельных случаях системы должны резонировать, а в других случаях этого нельзя допускать.

На принципе резонирования  работает язычковый частотомер. Прикладывая небольшие усилия, раскачивают тяжелые языки колоколов.

Если частота собственных  колебаний больших сооружений (мосты, телебашни) совпадает с частотой действия внешней силы, то может произойти разрушение конструкции. Такие случаи уже были в истории - разрушение моста во Франции строем солдат, шедших в ногу. В 1830 г. по той же причине обрушился подвесной мост в Англии около Манчестера. В 1906 г. из-за резонанса разрушился так называемый Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон. Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу» и идти не строевым, а вольным шагом.

При движении поезда по мосту  специально выбирают такую скорость, чтобы частота ударов колес о  стыки рельсов была отлична от собственной частоты моста. На заре развития авиации некоторые авиационные  двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

Явление резонанса неизбежно всегда присутствует в тех системах, где реализованы вынужденные колебания.

2.  Источники звука. Звуковые колебания

Механические волны  занимают очень широкий диапазон по частоте колебаний. Он условно  занимает частотный спектр 0 ≤ Vм ≤ 200 кГц.

Один и тот же тип  колебаний в определенной ситуации мы можем слышать, а в другой - нет: длинная линейка, защемленная в тисках, совершает колебания, которые мы не слышим. Уменьшим длину стальной линейки, замечаем, что она начинает издавать звук, потому что колебания учащаются. Образование звука происходит тогда, когда линейка совершает 20 колебаний в 1 с. времени, называют частотой. При этом важно заметить, что частота колебаний возросла.

Распространение звука  можно сравнить с распространением волны в воде.

Только роль брошенного в воду камня играет колеблющееся тело, а вместо поверхности воды звуковые волны распространяются в воздухе. Каждое колебание ветви камертона создаст в воздухе одно сгущение и одно разряжение. Чередование таких сгущений и разряжений и есть звуковая волна.

Упругие волны, которые  воспринимаются человеческим слухом, называются звуковыми.

Раздел механики, изучающий звуковые волны, называется акустикой. Ухо нормального человека устойчиво может воспринимать звуковые колебания в диапазоне частот от V = 20 Гц до V = 20000 Гц. Конечно, далеко не каждый человек может воспринимать волны с V = 20 Гц или V = 20000 Гц. В то же время человеческое ухо очень чутко реагирует на колебания внешней среды, хотя с возрастом эта чувствительность уменьшается. Для взрослого человека весь акустический диапазон недоступен и рабочим диапазоном является 50 Гц ≤ Vзв≤  14000 Гц.

Важность звуковых волн трудно переоценить. Общение людей  основано на возможности воспринимать речь другого человека.

Любое тело, совершающее  колебания с частотой 20 Гц≤  V≤  20000 Гц, порождает возникновение  звуковых волн, и называется источником звука.

Среди животных, птиц и  рыб существуют виды, которые воспринимают упругие волны с очень низкими  и с очень высокими частотами.

Самым универсальным  в это смысле является дельфин, который  способен воспринимать волны с частой колебаний в диапазоне 0,4 кГц < v < 200 кГц.

Среди источников звука  есть как естественные источники, так  и искусственные.

Примером искусственных  источников звука является камертон . Он был изобретен в начале ХVПI века для настройки музыкальных  инструментов.

Суть образования звуковой волны камертоном заключается в том, что при ударе по одной его ветви, вторая ветвь также начинает колебаться. Для усиления звуковых волн ветви камертона часто укрепляют на резонаторном ящике, который открыт с одного торца. Стандартный камертон выдает волны с частотой 440 Гц.

Звуковые колебания возникают не только в твердых телах и не только от колебания твердых тел. Примером образования звуковых волн в воздухе является образование грома при грозовых разрядах. Физика данного явления заключается в том, что рядом с каналом грозового разряда воздух нагревается до очень большой температуры и его расширение приводит к образованию ударной волны. Она затем постепенно переходит в звуковые колебания.

Типичным примером источника  звука является и обычная звуковая сирена. Ее работа основана на периодическом прерывании воздушного потока, проходящего через колесо с отверстиями. Частота звука такой сирены определяется по формуле:

v =n* k,

где n - число оборотов колеса за 1 с, а k - число отверстий в колесе. Звуковые волны являются продольными, они образуются при деформациях сжатия-растяжения в любых средах: жидкость, твердое тело, газ.

Звуки могут быть несхожими  между собой.  Чистый музыкальный звук можно получить с помощью простого прибора, называемого камертоном. Ударив молоточком по одной из ветвей камертона, мы услышим музыкальный звук. Постепенно звук ослабевает вследствие затухания колебаний ветвей. Звуковая волна возбуждается колеблющимися ветвями камертона. Характер этих колебаний можно установить, если прикрепить к ветви камертона иглу и провести ею с постоянной скоростью по поверхности законченной стеклянной пластинки. На пластинке появится линия, очень близкая к синусоиде. Отсюда можно заключить, что колебания ветвей камертона очень близки к гармоническим.

Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует  какая-либо определенная частота колебаний и, следовательно, определенная высота звука. В шуме присутствуют колебания различных частот. С развитием промышленности и современного скоростного транспорта появилась новая проблема - борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не           просто надоедает и утомляет - он может и серьезно подорвать здоровье.

С шумом борются простым  и административными мерами: в  городах запрещено пользоваться автомобильными сигналами, отмены полетов  самолетов над городом и т.д. Борются с шумами и с помощью  технических устройств. Так, все автомобили, тракторы и мотоциклы снабжены глушителями. Для выхлопных газов сооружают сложный металлический лабиринт с перегородками и отверстиями, в которых звуковая волна теряет энергию.

yaneuch.ru

Реферат Колебание

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 Классификация
  • 1.1 По физической природе
  • 1.2 По характеру взаимодействия с окружающей средой
• 2 Характеристики
Литература

Введение

Отличие колебания от волны

Колеба́ния — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Колебания почти всегда связаны с попеременным превращением энергии одной формы проявления в другую форму.

Колебания различной физической природы имеют много общих закономерностей и тесно взаимосвязаны c волнами. Поэтому исследованиями этих закономерностей занимается обобщённая теория колебаний и волн. Принципиальное отличие от волн: при колебаниях не происходит переноса энергии, это, так сказать, «местные» преобразования энергии.

1. Классификация

Выделение разных видов колебаний зависит от подчёркиваемых свойств колеблющихся систем (осцилляторов)

1.1. По физической природе

• Механические (звук, вибрация)
• Электромагнитные (свет, радиоволны, тепловые)
• Смешанного типа — комбинации вышеперечисленных

1.2. По характеру взаимодействия с окружающей средой

• Вынужденные — колебания, протекающие в системе под влиянием внешнего периодического воздействия. Примеры: листья на деревьях, поднятие и опускание руки. При вынужденных колебаниях может возникнуть явление резонанса: резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадении собственной частоты осциллятора и частоты внешнего воздействия.
• Свободные (или собственные) — это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие). Простейшими примерами свободных колебания являются колебания груза, прикреплённого к пружине, или груза, подвешенного на нити.
• Автоколебания — колебания, при которых система имеет запас потенциальной энергии, расходующейся на совершение колебаний (пример такой системы — механические часы). Характерным отличием автоколебаний от свободных колебаний является, то что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальными условиями.
• Параметрические — колебания, возникающие при изменение какого-либо параметра колебательной системы в результате внешнего воздействия.
• Случайные — колебания, при которых внешняя или параметрическая нагрузка является случайным процессом.

2. Характеристики

• Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, (м)
• Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), (сек)
• Частота — число колебаний в единицу времени, (Гц, сек−1).

Период колебаний и частота  — обратные величины;

В круговых или циклических процессах вместо характеристики «частота» используется понятие круговая (циклическая) частота (рад/сек, Гц, сек−1), показывающая число колебаний за 2π единиц времени:

• Смещение — отклонение тела от положения равновесия. Обозначение Х, Единица измерения метр.
• Фаза колебаний — определяет смещение в любой момент времени, то есть определяет состояние колебательной системы.

Литература

• Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 293—295. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)

Категории: Теория колебаний, Физические процессы.