Теория механических колебаний обычно используется в сфере машиностроения, судостроения, приборостроения, авиастроения, транспортного и промышленного строительства, а также в некоторых других технических областях. Каждая из указанных сфер ставит перед сотрудниками ряд серьезных стратегических задач, непосредственно связанных с проблемой применения механических колебаний. Несмотря на то, что постановка таких задач практически всегда характеризуется особой спецификой, все они, в результате, решаются на базе обобщенных методов и принципов, которые входят в разделы гипотезы колебаний.
Значимость теории механических колебаний признана во всем мире, и в ряде известных высших учебных учреждений России это научное направление и приближенные к нему модификации, выступают самостоятельным разделом учебного процесса, факультативной или обязательной дисциплиной. Во многих других российских вузах периодически открываются дополнительные курсы по теории колебательных явлений, привлекающие студентов, аспирантов и начинающих инженеров.
Формирование механической волны
Распространение механических колебаний из одного положения в другое носит название волнового перемещения, или просто волны.
Подобные элементы могут формироваться в результате обычных гармонических вибраций частиц окружающей среды от их среднего местонахождения. Вещество в пространстве не способно самостоятельно передвигаться, но передающие друг другу внутреннюю энергию элементы физического тела необходимы для полноценного распространения механических волн.
Таким образом, волна в теории механических колебаний является возмущением внешней среды, проходящим эту область с определенной скоростью, не изменяя начального вида. Если бросить камень в воду, то можно заметить, как от этого места появится одиночная волна. Однако волновые вибрации иногда могут быть систематическими.
Например, колеблющийся камертон осуществляет попеременные разрежения и сжатия окружающего его воздуха. Такие возмущения, которые воспринимаются человеком как звук, происходят регулярно с частотой вибрации камертона.
На сегодняшний день выделяют такие виды механических волн:
- Поперечное волновое перемещение. Этому виду механических волн свойственны вибрации элементарных частиц среды, которые происходят под прямым углом в сторону распространения компонентов. Указанные волны возникают только на поверхности жидкостей и в твердых веществах, где все элементы среды осуществляют несложное гармоническое движение возле средних положений. Позиция максимального возмущения вверх называется "пиком", а расположение максимального сдвига вниз - "углублением".
- Продольная волна. Данный вид волнового перемещения характеризуется систематическим колебаниями частиц пространства вдоль движения распространения волны. Такие волны могут появляться в газах, в жидкостях и твердых телах. В некоторых местах элементы среды находятся ближе, а в других - дальше, чем в обычном состоянии. Промежуток, где компоненты расположены близко, называются сферами сжатия, а места, где они функционируют на большом расстоянии друг от друга - средами разрежения.
Интервал между двумя систематическими разрежениями и сжатиями является длиной продольной волны.
Характеристики механических колебаний
Колебания в теории механических процессов представляют собой вид движения, при котором положение физического тела повторяется за одинаковые промежутки времени и на равном расстоянии.
Выделяют такие основные характеристики волн:
- Амплитуда - максимальное перемещение колеблющегося элемента среды от ее начального положения равновесия (A).
- Время - период который необходим частице для осуществления одного полного колебания (T). $T = \frac {t}{N}$ $v = \frac {M}{t}$
- Частота колебаний – показатель, демонстрирующий количество произведенных компонентов пространства, за определенную единицу времени (ν). $v = [\frac {1}{C}] = [c^-1] = [Гц]$, $T = \frac {1}{v}$, $v = \frac {1}{v}$
- Скорость механической волны – быстрота распространения частиц в среде пика волны (v). Совокупность элементов поверхности, вибрирующих в одинаковой фазе, создают фронт волны. $\omega = 1 \pi v = \frac {2 \pi}{T}$ $\omega = [\frac {рад}{c}]$
Смещение расположения частиц плоской волны можно записать общим уравнением для всех видов волнового перемещения: $S = A sin \omega (t - \frac {t}{v})$
Это означает, что параметр смещения $(S)$ для каждого определения времени $(t)$ и расстояния от начала формирования волны $(x)$ напрямую зависит от колебательной амплитуды $(A)$, угловой плотности $(ω)$ и скорости волновых процессов $(v)$.
В целом, волна переносит импульс и внутреннюю энергию вибрирующих частиц среды, но не трансформирует само вещество.
Примером механического волнового процесса выступает звук. Ухо человека воспринимает колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Скорость данного природного явления в воздухе при обычном атмосферном давлении приравнивается к 332 м/с.
Также механические волны имеют двоякую периодичность:
- цикличность во времени;
- цикличность в пространстве.
Место колебательных процессов в науке
В технике, особенно в судостроении и промышленном производстве, широко используют термин «механическая вибрация». Он является синонимом терминов «колебания» или «перемещения в механической системе». Подобным определением чаще всего пользуются там, где начальные колебания тел имеют небольшую амплитуду и достаточно высокую частоту (например, понятием вибрация едва ли можно охарактеризовать принцип действия маятника часов или раскачивания качелей).
Огромное количество процессов, наблюдаемых в технике и природе, являются колебательными. К указанным явлениям относятся самые разные феномены и события: от ритмов биения человеческого сердца и работы головного мозга до колебаний туманностей, звезд и иных космических объектов; от вибраций молекул или атомов в физическом теле до климатических перемен на земной поверхности; от е=колебаний звучащей струны до мощных подземных толчков. Все акустические процессы и явления, непосредственно связанные с распространением магнитных волн, также сопровождаются механическими колебаниями.
