Колебания и волны

Колебаниями называются такие процессы, которые обладают той или иной степенью повторяемости во времени.

Наблюдаются в системах самой разной физической природы.

Если состояние системы описывается конечным числом переменных, то мы имеем дело с собственно колебательными процессами, например, колебания груза, подвешенного на пружине, колебания маятника, колебания тока в электрическом контуре и прочие. Иными словами, в этом случае мы имеем дело с колебательными процессами, происходящими в системах, имеющих конечное число степеней свободы.

Другой тип колебательных процессов возможен в системах, имеющих бесконечное множество степеней свободы, таких, например, как сплошная среда или электромагнитное поле. В таких случаях колебательный процесс, начавшийся в одном месте, передается в соседние места, распространяясь в пространстве. Тогда говорят, что в пространстве распространяется волна. Волна характеризуется периодичностью не только во времени, но и в пространстве. Например, звук, то есть упругие волны в сплошной среде, электромагнитные волны и прочие.

Степени свободы – это число независимых переменных, позволяющих однозначно определить состояние системы в любой момент времени.

Колебательные и волновые процессы представляют собой очень важный класс процессов, важный как теоретически, так практически. Достаточно указать, что колебательные процессы используются, например, в часах (в механических и электронных), в радиоприемниках и телевизорах (колебательные контуры), акустика (звуковые волны) и прочее.

Колебания можно разделить на установившиеся и переходные. Установившиеся характеризуются периодичностью и устойчивостью. Периодичность означает, что система периодически во времени проходит один и тот же ряд состояний. Устойчивость означает, что при неизбежных в реальности случайных внешних воздействиях, она через некоторое время возвращается к установившемуся первоначальному колебанию. Переходные колебательные процессы приводят к переходу системы из данного состояния либо к состоянию устойчивого равновесия, либо к установившемуся колебательному процессу. В зависимости от характера воздействия на систему колебания разделяются на свободные и вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.

Свободными или собственными колебаниями называются такие колебания, которые происходят в системе, представленной самой себе после того как она была выведена из состояния равновесия. Например, колебания груза, подвешенного на пружине в поле тяготения.

Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается периодическому воздействию внешнего источника энергии. Например, звуковая волна, распространяющаяся в среде, где имеется источник звука или электромагнитные колебания в контуре, куда включен периодический источник энергии (ЭДС).

Автоколебания сопровождаются вводом дополнительной энергии в систему подобно вынужденным, он и в отличие от вынужденных колебаний характер ввода этой энергии определяется закономерностями самой системы, а не задается извне. Например, в механических и электронных часах.

При параметрических колебаниях за счет внешнего воздействия происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы, определяющего ее внутренние свойства. Например, может периодически изменяться длина нити, на которой подвешен маятник.

Системы, в которых возможны колебательные процессы также делятся на линейные и нелинейные. Большинство физических систем нелинейны, однако, при малых отклонениях от состояний равновесия они демонстрируют линейное поведение.

Все вышеперечисленные виды колебаний реализуются в нелинейных системах, но, например, в линейных системах автоколебания не реализуются, тогда как остальные типы могут возникать.

Изучение колебательных и волновых процессов существенно облегчается тем, что между колебательными процессами различной физической природы имеет место глубокая формально-математическая аналогия. Независимо от природы системы, колебания подчиняются одинаковым по виду уравнениям, которые называются дифференциальными. Поэтому законы, по которым происходит изменение переменных, характеризующих состояние системы, со временем (и в пространстве в случае волновых процессов) оказываются для различных систем одинаковыми. Например, изменение положения груза, подвешенного на пружине, и изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по одному и тому же закону. Поэтому изучение колебаний одной физической природы значительно облегчает изучение колебаний другой природы.