© Massachusetts Institute of Technology (A Britannica Publishing Partner)Zobacz wszystkie filmy do tego artykułu
Wibracje, okresowy ruch cząsteczek ciała elastycznego lub ośrodka w przód i w tył, powszechnie występujący, gdy prawie każdy układ fizyczny jest wytrącony ze stanu równowagi i pozwala mu się reagować na siły, które dążą do przywrócenia równowagi.
Drgania dzielą się na dwie kategorie: swobodne i wymuszone. Drgania swobodne występują, gdy układ jest chwilowo zakłócony, a następnie pozwala mu się poruszać bez skrępowania. Klasycznym przykładem jest ciężar zawieszony na sprężynie. W stanie równowagi układ ma minimalną energię, a waga jest w spoczynku. Jeśli ciężar zostanie ściągnięty i zwolniony, system odpowie drganiami w pionie.
Wibracje sprężyny są szczególnie prostego rodzaju, znanego jako prosty ruch harmoniczny (SHM). Występują one zawsze wtedy, gdy zaburzenie w układzie jest równoważone przez siłę przywracającą, która jest dokładnie proporcjonalna do stopnia zaburzenia. W tym przypadku siłą przywracającą jest napięcie lub ściśnięcie w sprężynie, które (zgodnie z prawem Hooke’a) jest proporcjonalne do przemieszczenia sprężyny. W prostym ruchu harmonicznym, okresowe oscylacje mają postać matematyczną zwaną sinusoidą.
Większość systemów, w których występują małe zakłócenia, przeciwdziała im poprzez wywieranie jakiejś formy siły przywracającej. Często dobrym przybliżeniem jest założenie, że siła ta jest proporcjonalna do zakłócenia, tak więc SHM jest, w ograniczonym przypadku małych zakłóceń, ogólną cechą układów wibrujących. Jedną z cech SHM jest to, że okres drgań jest niezależny od ich amplitudy. Układy takie są zatem stosowane w regulacji zegarów. Oscylacja wahadła, na przykład, jest zbliżona do SHM, jeśli amplituda jest mała.
Encyclopædia Britannica, Inc.See all videos for this article
Uniwersalną cechą drgań swobodnych jest tłumienie. We wszystkich układach występują siły tarcia, a te systematycznie odbierają energię drgań, powodując zmniejszanie się amplitudy, zwykle wykładniczo. Dlatego też ruch nigdy nie jest dokładnie sinusoidalny. Tak więc wahadło, pozostawione bez napędu, w końcu powróci do stanu równowagi (minimum energii).
Wibracje wymuszone występują, gdy system jest stale napędzany przez zewnętrzną agencję. Prostym przykładem jest dziecięca huśtawka, która jest popychana przy każdym ruchu w dół. Szczególnie interesujące są systemy poddawane SHM i napędzane wymuszeniami sinusoidalnymi. Prowadzi to do ważnego zjawiska, jakim jest rezonans. Rezonans występuje wtedy, gdy częstotliwość drgań własnych zbliża się do częstotliwości drgań własnych. Wynikiem tego jest gwałtowny wzrost amplitudy drgań. Ostatecznie, wzrost amplitudy jest ograniczony przez obecność tłumienia, ale odpowiedź może, w praktyce, być bardzo duża. Mówi się, że żołnierze maszerujący przez most mogą wywołać wibracje rezonansowe wystarczające do zniszczenia konstrukcji. Podobny folklor istnieje na temat śpiewaków operowych rozbijających kieliszki do wina.
Wibracje elektryczne odgrywają ważną rolę w elektronice. Obwód zawierający zarówno indukcyjność jak i pojemność może wspierać elektryczny odpowiednik SHM z sinusoidalnym przepływem prądu. Rezonans występuje, gdy obwód jest napędzany przez prąd zmienny, który jest dopasowany w częstotliwości do częstotliwości swobodnych oscylacji obwodu. Jest to zasada, na której opiera się strojenie. Na przykład, odbiornik radiowy zawiera obwód, którego częstotliwość drgań własnych może być zmieniana. Gdy częstotliwość ta odpowiada częstotliwości nadajnika radiowego, następuje rezonans i w obwodzie powstaje duży prąd zmienny o tej częstotliwości. W ten sposób, obwody rezonujące mogą być używane do filtrowania jednej częstotliwości z mieszaniny.
W instrumentach muzycznych, ruch strun, membran i kolumn powietrznych składa się z superpozycji SHM; w konstrukcjach inżynierskich, wibracje są powszechną, choć zwykle niepożądaną cechą. W wielu przypadkach skomplikowane ruchy okresowe mogą być rozumiane jako superpozycja SHM przy wielu różnych częstotliwościach.