© Massachusetts Institute of Technology (A Britannica Publishing Partner)Bekijk alle video’s bij dit artikel
Vibratie, periodieke heen-en-weerbeweging van de deeltjes van een elastisch lichaam of medium, gewoonlijk het gevolg wanneer bijna elk fysisch systeem uit zijn evenwichtstoestand wordt gebracht en mag reageren op de krachten die de neiging hebben om het evenwicht te herstellen.
Trillingen kunnen in twee categorieën worden ingedeeld: vrije en gedwongen. Vrije trillingen treden op wanneer het systeem kortstondig wordt verstoord en daarna weer ongeremd mag bewegen. Een klassiek voorbeeld is een gewicht dat aan een veer is opgehangen. In evenwicht heeft het systeem een minimum aan energie en is het gewicht in rust. Als het gewicht naar beneden wordt getrokken en weer wordt losgelaten, zal het systeem reageren door verticaal te trillen.
De trillingen van een veer zijn van een bijzonder eenvoudige soort, die bekend staat als simple harmonic motion (SHM). Dit doet zich voor wanneer de verstoring van het systeem wordt tegengegaan door een herstellende kracht die precies evenredig is met de mate van verstoring. In dit geval is de herstellende kracht de spanning of compressie in de veer, die (volgens de wet van Hooke) evenredig is met de verplaatsing van de veer. Bij eenvoudige harmonische beweging hebben de periodieke trillingen de wiskundige vorm die sinusoïdaal wordt genoemd.
De meeste systemen die kleine verstoringen ondergaan, gaan deze tegen door een of andere vorm van herstellende kracht uit te oefenen. Het is vaak een goede benadering te veronderstellen dat de kracht evenredig is met de verstoring, zodat SHM, in het beperkende geval van kleine verstoringen, een algemeen kenmerk is van trillende systemen. Een kenmerk van SHM is dat de periode van de trilling onafhankelijk is van de amplitude. Dergelijke systemen worden daarom gebruikt voor het regelen van klokken. De trilling van een slinger, bijvoorbeeld, benadert SHM als de amplitude klein is.
Encyclopædia Britannica, Inc.Bekijk alle video’s bij dit artikel
Een universeel kenmerk van vrije trillingen is demping. Alle systemen zijn onderhevig aan wrijvingskrachten, en deze onttrekken gestaag de energie van de trillingen, waardoor de amplitude afneemt, meestal exponentieel. De beweging is daarom nooit precies sinusoïdaal. Zo zal een slingerende slinger, als hij niet wordt aangedreven, uiteindelijk weer tot rust komen in de evenwichtsstand (minimum-energie).
Gedwongen trillingen treden op als een systeem voortdurend wordt aangedreven door een externe factor. Een eenvoudig voorbeeld is een kinderschommel die bij elke neerwaartse beweging wordt voortgeduwd. Van bijzonder belang zijn systemen die SHM ondergaan en worden aangedreven door sinusoïdale forcering. Dit leidt tot het belangrijke verschijnsel resonantie. Resonantie treedt op wanneer de aandrijffrequentie de natuurlijke frequentie van de vrije trillingen nadert. Het resultaat is een snelle opname van energie door het trillende systeem, met een daarmee gepaard gaande groei van de trillingsamplitude. Uiteindelijk wordt de groei van de amplitude beperkt door de aanwezigheid van demping, maar de respons kan in de praktijk zeer groot zijn. Er wordt gezegd dat soldaten die over een brug marcheren resonantietrillingen kunnen opwekken die voldoende zijn om de constructie te vernietigen. Een soortgelijke folklore bestaat over operazangers die wijnglazen verbrijzelen.
Elektrische trillingen spelen een belangrijke rol in de elektronica. Een stroomkring die zowel inductantie als capaciteit bevat, kan het elektrische equivalent van SHM ondersteunen met een sinusvormige stroom. Resonantie treedt op als de stroomkring wordt aangedreven door wisselstroom die in frequentie is afgestemd op die van de vrije oscillaties van de stroomkring. Dit is het principe achter afstemming. Een radio-ontvanger bevat bijvoorbeeld een kring waarvan de natuurlijke frequentie kan worden gevarieerd. Wanneer de frequentie overeenkomt met die van de radiozender, treedt resonantie op en ontwikkelt zich in de kring een grote wisselstroom van die frequentie. Op deze wijze kunnen resonerende kringen worden gebruikt om één frequentie uit een mengsel te filteren.
In muziekinstrumenten bestaat de beweging van snaren, membranen en luchtkolommen uit een superpositie van SHM’s; in bouwkundige constructies zijn trillingen een veel voorkomend, hoewel meestal ongewenst, verschijnsel. In veel gevallen kunnen gecompliceerde periodieke bewegingen worden opgevat als de superpositie van SHM’s bij veel verschillende frequenties.