Что такое гармоническое движение?

Гармоническое движение - это концепция колеблющейся или повторяющейся системы, такой как маятник, пружина или орбита планеты вокруг Солнца. Системы, находящиеся в гармоническом движении, сохраняют энергию и импульс до тех пор, пока внутренняя энергия остается неизменной. В реальной системе, т.е. неидеальной, потеря энергии происходит из-за трения даже в бесконечно малых количествах из-за столкновения с молекулами. Два основных качества должны существовать для системы, чтобы испытать колебательное движение: упругость и инерция; из-за первого закона Ньютона все объекты имеют инерцию. Следовательно, должен существовать источник упругости, такой как пружина.

Простая гармоническая система включает в себя один или несколько колеблющихся объектов, которые прикреплены к пружине или другому упругому источнику, например грузу, прикрепленному к пружине. Движение объекта изменяет скорость по синусоидальной схеме. Сила упругости, которая обеспечивает импульс объекта, увеличивается с расстоянием от центра движения; чем дальше находится объект, тем больше действует сила упругости. Когда объект достигает конца своего движения, сила заставляет его двигаться назад с увеличивающейся скоростью к другому концу колебательного пути, где цикл повторяется. Простое гармоническое движение используется для иллюстрации концепции, но не учитывает трения.

Затухающее движение, для сравнения, включает в себя трение или другие внешние силы, которые замедляют систему и в конечном итоге приводят к ее достижению равновесия или вообще не приводят в движение. Чем больше трение в системе, тем быстрее колеблющийся объект достигнет равновесия. Избыточное затухание допускает лишь несколько циклов колебаний до равновесия; критическое демпфирование создает быстрый возврат к равновесию, например, амортизатор в автомобиле; и недостаточное демпфирование вызывает уменьшение колебаний со временем Более вязкая среда, такая как вода, создает больше трения.

Гармоническое движение имеет много применений в повседневной жизни. Колебательная система любого типа - будь то маятник часов, пружина из системы подвески автомобиля или поворот маховика двигателя - испытывает форму затухающих колебаний. Например, знание силы трения, которая вызывает демпфирование, позволяет рассчитать движущую силу, необходимую для поддержания постоянной скорости колебаний в гармонической системе. Есть также музыкальные приложения; Например, знание длины гитарной струны обеспечивает метод расчета скорости колебаний, когда дается движущая сила, и, следовательно, частоты воспроизводимой ноты.