Segala sesuatu di planet ini mempunyai frekuensinya masing-masing. Menurut salah satu versi, itu bahkan menjadi dasar dunia kita. Sayangnya, teori ini terlalu rumit untuk disajikan dalam satu publikasi, jadi kami hanya akan mempertimbangkan frekuensi osilasi sebagai tindakan independen. Artikel ini akan memberikan definisi proses fisik ini, satuan pengukurannya, dan komponen metrologinya. Dan terakhir, kita akan membahas contoh pentingnya bunyi biasa dalam kehidupan sehari-hari. Kita belajar siapa dia dan apa sifatnya.

Frekuensi osilasi disebut?

Yang kami maksud dengan besaran fisis yang digunakan untuk mencirikan suatu proses periodik, yang sama dengan banyaknya pengulangan atau kemunculan peristiwa-peristiwa tertentu dalam satu satuan waktu. Indikator ini dihitung sebagai rasio jumlah insiden tersebut dengan periode waktu terjadinya. Setiap elemen di dunia memiliki frekuensi getarannya masing-masing. Benda, atom, jembatan jalan, kereta api, pesawat terbang - semuanya melakukan gerakan tertentu, yang disebut demikian. Sekalipun proses ini tidak terlihat oleh mata, namun tetap ada. Satuan pengukuran yang menghitung frekuensi osilasi adalah hertz. Mereka mendapat nama mereka untuk menghormati fisikawan asal Jerman Heinrich Hertz.

Frekuensi sesaat

Sinyal periodik dapat dicirikan oleh frekuensi sesaat, yang hingga suatu koefisien adalah laju perubahan fasa. Ini dapat direpresentasikan sebagai jumlah komponen spektral harmonik yang memiliki osilasi konstannya sendiri.

Frekuensi siklik

Lebih mudah digunakan dalam fisika teoretis, terutama di bagian elektromagnetisme. Frekuensi siklik (disebut juga radial, melingkar, sudut) adalah besaran fisis yang digunakan untuk menunjukkan intensitas asal usul gerak osilasi atau rotasi. Yang pertama dinyatakan dalam putaran atau osilasi per detik. Selama gerak rotasi, frekuensinya sama dengan besarnya vektor kecepatan sudut.

Indikator ini dinyatakan dalam radian per detik. Dimensi frekuensi siklik adalah kebalikan dari waktu. Secara numerik sama dengan jumlah osilasi atau putaran yang terjadi dalam jumlah detik 2π. Penerapannya dapat secara signifikan menyederhanakan berbagai rumus dalam elektronik dan fisika teoretis. Contoh penggunaan yang paling populer adalah menghitung frekuensi siklik resonansi dari rangkaian LC berosilasi. Rumus lain bisa menjadi jauh lebih kompleks.

Tingkat kejadian diskrit

Nilai ini berarti nilai yang sama dengan banyaknya kejadian diskrit yang terjadi dalam satu satuan waktu. Secara teori, indikator yang biasa digunakan adalah pangkat kedua dikurangi pangkat pertama. Dalam prakteknya, Hertz biasanya digunakan untuk menyatakan frekuensi pulsa.

Kecepatan rotasi

Ini dipahami sebagai besaran fisika yang sama dengan jumlah putaran penuh yang terjadi dalam satu satuan waktu. Indikator yang digunakan di sini juga merupakan pangkat kedua dikurangi pangkat pertama. Untuk menunjukkan usaha yang dilakukan, dapat digunakan ungkapan seperti putaran per menit, jam, hari, bulan, tahun dan lain-lain.

Satuan pengukuran

Bagaimana frekuensi osilasi diukur? Jika kita memperhitungkan sistem SI, maka satuan pengukuran di sini adalah hertz. Ini awalnya diperkenalkan oleh Komisi Elektroteknik Internasional pada tahun 1930. Dan Konferensi Umum Berat dan Ukuran ke-11 pada tahun 1960 mengkonsolidasikan penggunaan indikator ini sebagai satuan SI. Apa yang dikemukakan sebagai “ideal”? Itu adalah frekuensi satu siklus selesai dalam satu detik.

Tapi bagaimana dengan produksi? Nilai sewenang-wenang diberikan padanya: kilocycle, megacycle per second, dan seterusnya. Oleh karena itu, saat Anda memilih perangkat yang beroperasi pada GHz (seperti prosesor komputer), Anda dapat membayangkan secara kasar berapa banyak tindakan yang dilakukannya. Tampaknya betapa lambatnya waktu berlalu bagi seseorang. Namun teknologi tersebut berhasil melakukan jutaan bahkan miliaran operasi per detik dalam periode yang sama. Dalam satu jam, komputer telah melakukan begitu banyak tindakan sehingga kebanyakan orang bahkan tidak dapat membayangkannya dalam bentuk numerik.

Aspek metrologi

Frekuensi osilasi telah menemukan penerapannya bahkan dalam metrologi. Perangkat yang berbeda memiliki banyak fungsi:

1. Frekuensi pulsa diukur. Mereka diwakili oleh jenis penghitungan elektronik dan kapasitor.
2. Frekuensi komponen spektral ditentukan. Ada tipe heterodyne dan resonansi.
3. Analisis spektrum dilakukan.
4. Mereproduksi frekuensi yang diperlukan dengan akurasi tertentu. Dalam hal ini, berbagai tindakan dapat digunakan: standar, synthesizer, generator sinyal, dan teknik lain dalam arah ini.
5. Indikator osilasi yang diperoleh dibandingkan; untuk tujuan ini, komparator atau osiloskop digunakan.

Contoh pekerjaan: suara

Segala sesuatu yang tertulis di atas bisa jadi sangat sulit untuk dipahami, karena kami menggunakan bahasa fisika yang kering. Untuk memahami informasi yang diberikan, Anda dapat memberikan contoh. Semuanya akan diuraikan secara detail, berdasarkan analisis kasus-kasus kehidupan modern. Untuk melakukan ini, perhatikan contoh getaran yang paling terkenal - suara. Sifat-sifatnya, serta ciri-ciri penerapan getaran elastis mekanis dalam medium, berbanding lurus dengan frekuensi.

Organ pendengaran manusia dapat mendeteksi getaran yang berkisar antara 20 Hz hingga 20 kHz. Apalagi seiring bertambahnya usia, batas atas akan menurun secara bertahap. Jika frekuensi getaran suara turun di bawah 20 Hz (yang sesuai dengan subkontraktor mi), maka infrasonik akan tercipta. Jenis ini, yang dalam banyak kasus tidak terdengar oleh kita, masih dapat dirasakan secara nyata oleh manusia. Bila batas 20 kilohertz terlampaui, akan timbul getaran yang disebut USG. Jika frekuensinya melebihi 1 GHz, maka dalam hal ini kita akan berhadapan dengan hipersonik. Jika kita perhatikan alat musik seperti piano, maka dapat menimbulkan getaran pada rentang 27,5 Hz hingga 4186 Hz. Perlu diingat bahwa suara musik tidak hanya terdiri dari frekuensi dasar - nada tambahan dan harmonik juga tercampur di dalamnya. Semua ini bersama-sama menentukan timbre.

Kesimpulan

Seperti yang telah Anda pelajari, frekuensi getaran adalah komponen yang sangat penting yang memungkinkan dunia kita berfungsi. Berkat dia, kita dapat mendengar, dengan bantuannya komputer dapat berfungsi dan banyak hal bermanfaat lainnya dapat tercapai. Tetapi jika frekuensi osilasi melebihi batas optimal, maka kehancuran tertentu dapat dimulai. Jadi, jika Anda memengaruhi prosesor agar kristalnya bekerja dengan kinerja dua kali lipat, prosesor tersebut akan cepat rusak.

Hal serupa juga terjadi pada kehidupan manusia, ketika pada frekuensi tinggi gendang telinganya pecah. Perubahan negatif lainnya juga akan terjadi pada tubuh yang akan menimbulkan masalah tertentu, bahkan kematian. Apalagi karena kekhasan sifat fisiknya, proses ini akan berlangsung dalam jangka waktu yang cukup lama. Omong-omong, dengan mempertimbangkan faktor ini, militer sedang mempertimbangkan peluang baru untuk mengembangkan senjata masa depan.

>> Getaran harmonik

§ 22 GETARAN HARMONIS

Mengetahui bagaimana percepatan dan koordinat benda yang berosilasi saling berhubungan, berdasarkan analisis matematis, kita dapat menemukan ketergantungan koordinat terhadap waktu.

Percepatan merupakan turunan kedua suatu koordinat terhadap waktu. Kelajuan sesaat suatu titik, seperti yang diketahui dari mata kuliah matematika, merupakan turunan koordinat titik terhadap waktu. Percepatan suatu titik merupakan turunan kecepatannya terhadap waktu, atau turunan kedua koordinat terhadap waktu. Oleh karena itu, persamaan (3.4) dapat ditulis sebagai berikut:

dimana x " - turunan kedua koordinat terhadap waktu. Menurut persamaan (3.11), pada osilasi bebas, koordinat x berubah terhadap waktu sehingga turunan kedua koordinat terhadap waktu berbanding lurus dengan koordinat itu sendiri dan berlawanan tanda.

Dari mata kuliah matematika diketahui bahwa turunan kedua sinus dan cosinus terhadap argumennya sebanding dengan fungsinya sendiri, diambil dengan tanda berlawanan. Analisis matematis membuktikan bahwa tidak ada fungsi lain yang memiliki sifat ini. Semua ini memungkinkan kita untuk secara sah menyatakan bahwa koordinat benda yang melakukan osilasi bebas berubah seiring waktu sesuai dengan hukum sinus atau pasine. Gambar 3.6 menunjukkan perubahan koordinat suatu titik terhadap waktu menurut hukum kosinus.

Perubahan periodik suatu besaran fisika tergantung waktu, yang terjadi menurut hukum sinus atau kosinus, disebut osilasi harmonik.

Amplitudo osilasi. Amplitudo osilasi harmonik adalah modulus perpindahan terbesar suatu benda dari posisi setimbangnya.

Amplitudo dapat memiliki nilai yang berbeda-beda tergantung pada seberapa besar kita menggeser benda dari posisi setimbang pada saat awal, atau pada kecepatan apa yang diberikan pada benda tersebut. Amplitudonya ditentukan oleh kondisi awal, atau lebih tepatnya oleh energi yang diberikan ke tubuh. Namun nilai maksimum modulus sinus dan modulus cosinus sama dengan satu. Oleh karena itu, penyelesaian persamaan (3.11) tidak dapat dinyatakan hanya sebagai sinus atau kosinus. Ini harus berbentuk produk amplitudo osilasi x m dengan sinus atau kosinus.

Penyelesaian persamaan yang menggambarkan getaran bebas. Mari kita tuliskan solusi persamaan (3.11) dalam bentuk berikut:

dan turunan keduanya akan sama dengan:

Kami telah memperoleh persamaan (3.11). Oleh karena itu, fungsi (3.12) merupakan solusi dari persamaan awal (3.11). Solusi persamaan ini juga akan menjadi fungsinya

Grafik koordinat benda terhadap waktu menurut (3.14) merupakan gelombang kosinus (lihat Gambar 3.6).

Periode dan frekuensi osilasi harmonik. Saat berosilasi, gerakan tubuh berulang secara berkala. Periode waktu T selama sistem menyelesaikan satu siklus osilasi penuh disebut periode osilasi.

Dengan mengetahui periode, kita dapat menentukan frekuensi osilasi, yaitu banyaknya osilasi per satuan waktu, misalnya per detik. Jika satu osilasi terjadi dalam waktu T, maka banyaknya osilasi dalam sekon

Dalam Satuan Sistem Internasional (SI), frekuensi osilasi sama dengan satu jika terjadi satu osilasi per detik. Satuan frekuensi disebut hertz (disingkat: Hz) untuk menghormati fisikawan Jerman G. Hertz.

Banyaknya getaran dalam 2 s sama dengan:

Besarannya adalah frekuensi osilasi siklik atau melingkar. Jika pada persamaan (3.14) waktu t sama dengan satu periode, maka T = 2. Jadi jika pada waktu t = 0 x = x m, maka pada waktu t = T x = x m, yaitu melalui selang waktu yang sama dengan satu periode, osilasinya berulang.

Frekuensi getaran bebas ditentukan oleh frekuensi alami sistem osilasi 1.

Ketergantungan frekuensi dan periode osilasi bebas pada sifat-sifat sistem. Frekuensi alami getaran suatu benda yang diikatkan pada pegas menurut persamaan (3.13) adalah sama dengan:

Semakin besar kekakuan pegas k, semakin besar, dan semakin kecil, semakin besar massa benda m. Hal ini mudah untuk dipahami: pegas yang kaku memberikan percepatan yang lebih besar pada benda dan mengubah kecepatan benda lebih cepat. Dan semakin besar suatu benda, semakin lambat ia mengubah kecepatannya di bawah pengaruh gaya. Periode osilasi sama dengan:

Memiliki sekumpulan pegas dengan kekakuan berbeda dan benda dengan massa berbeda, mudah untuk memverifikasi dari pengalaman bahwa rumus (3.13) dan (3.18) dengan tepat menggambarkan sifat ketergantungan dan T pada k dan m.

Sungguh luar biasa bahwa periode osilasi suatu benda pada pegas dan periode osilasi bandul pada sudut defleksi kecil tidak bergantung pada amplitudo osilasi.

Modulus koefisien proporsionalitas antara percepatan t dan perpindahan x pada persamaan (3.10), yang menggambarkan osilasi pendulum, seperti pada persamaan (3.11), adalah kuadrat frekuensi siklik. Oleh karena itu, frekuensi alami osilasi bandul matematis pada sudut defleksi kecil benang dari vertikal bergantung pada panjang bandul dan percepatan gravitasi:

Rumus ini pertama kali diperoleh dan diuji secara eksperimental oleh ilmuwan Belanda G. Huygens, sezaman dengan I. Newton. Ini hanya berlaku untuk sudut defleksi benang yang kecil.

1 Seringkali berikut ini, untuk singkatnya, kita hanya akan menyebut frekuensi siklik sebagai frekuensi. Anda dapat membedakan frekuensi siklik dari frekuensi normal dengan notasi.

Periode osilasi bertambah seiring bertambahnya panjang pendulum. Itu tidak bergantung pada massa pendulum. Hal ini dapat dengan mudah diverifikasi secara eksperimental dengan berbagai pendulum. Ketergantungan periode osilasi pada percepatan gravitasi juga dapat dideteksi. Semakin kecil g, semakin lama periode osilasi pendulum dan oleh karena itu, semakin lambat jam pendulum berjalan. Jadi, sebuah jam dengan pendulum berupa beban pada sebuah batang akan tertinggal hampir 3 detik per hari jika diangkat dari basement ke lantai atas Universitas Moskow (ketinggian 200 m). Dan ini hanya disebabkan oleh penurunan percepatan jatuh bebas dengan ketinggian.

Ketergantungan periode osilasi bandul pada nilai g digunakan dalam praktek. Dengan mengukur periode osilasi, g dapat ditentukan dengan sangat akurat. Percepatan gravitasi berubah seiring dengan garis lintang geografis. Namun bahkan pada garis lintang tertentu, kondisinya tidak sama di semua tempat. Bagaimanapun, kepadatan kerak bumi tidak sama di semua tempat. Di daerah yang terdapat batuan padat, percepatan g agak lebih besar. Ini diperhitungkan saat mencari mineral.

Dengan demikian, bijih besi memiliki kepadatan yang lebih tinggi dibandingkan batuan biasa. Pengukuran percepatan jatuh bebas di dekat Kursk, yang dilakukan di bawah kepemimpinan Akademisi A. A. Mikhailov, memungkinkan untuk memperjelas lokasi bijih besi. Mereka pertama kali ditemukan melalui pengukuran magnetik.

Sifat getaran mekanis digunakan pada sebagian besar perangkat timbangan elektronik. Benda yang akan ditimbang ditempatkan pada platform di mana pegas kaku dipasang. Akibatnya, timbul getaran mekanis, yang frekuensinya diukur oleh sensor yang sesuai. Mikroprosesor yang terkait dengan sensor ini mengubah frekuensi osilasi menjadi massa benda yang ditimbang, karena frekuensi ini bergantung pada massa.

Rumus yang dihasilkan (3.18) dan (3.20) untuk periode osilasi menunjukkan bahwa periode osilasi harmonik bergantung pada parameter sistem (kekakuan pegas, panjang ulir, dll.)

Myakishev G.Ya., Fisika. kelas 11: mendidik. untuk pendidikan umum institusi: dasar dan profil. level / G.Ya.Myakishev, B.V.Bukhovtsev, V.M.Charugin; diedit oleh V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - Edisi ke-17, direvisi. dan tambahan - M.: Pendidikan, 2008. - 399 hal.: sakit.

Daftar lengkap topik berdasarkan kelas, rencana kalender sesuai kurikulum sekolah fisika online, video materi fisika untuk kelas 11 download

Isi pelajaran catatan pelajaran bingkai pendukung presentasi pelajaran metode akselerasi teknologi interaktif Praktik tugas dan latihan lokakarya tes mandiri, pelatihan, kasus, pencarian pekerjaan rumah, pertanyaan diskusi, pertanyaan retoris dari siswa Ilustrasi audio, klip video dan multimedia foto, gambar, grafik, tabel, diagram, humor, anekdot, lelucon, komik, perumpamaan, ucapan, teka-teki silang, kutipan Pengaya abstrak artikel trik untuk boks penasaran, buku teks dasar dan kamus tambahan istilah lainnya Menyempurnakan buku teks dan pelajaranmemperbaiki kesalahan pada buku teks pemutakhiran suatu penggalan dalam buku teks, unsur inovasi dalam pembelajaran, penggantian pengetahuan yang sudah ketinggalan zaman dengan yang baru Hanya untuk guru pelajaran yang sempurna rencana kalender untuk tahun ini; rekomendasi metodologis; Pelajaran Terintegrasi

Karakteristik osilasi

Fase menentukan keadaan sistem, yaitu koordinat, kecepatan, percepatan, energi, dll.

Frekuensi siklik mencirikan laju perubahan fase osilasi.

Keadaan awal sistem osilasi ditandai dengan fase awal

Amplitudo osilasi A- ini adalah perpindahan terbesar dari posisi setimbang

Periode T- ini adalah periode waktu di mana suatu titik melakukan satu osilasi penuh.

Frekuensi osilasi adalah jumlah osilasi lengkap per satuan waktu t.

Frekuensi, frekuensi siklik dan periode osilasi berhubungan sebagai

Jenis getaran

Getaran yang terjadi pada sistem tertutup disebut bebas atau memiliki fluktuasi. Getaran yang terjadi karena pengaruh gaya luar disebut dipaksa. ada juga osilasi diri(dipaksa secara otomatis).

Jika kita mempertimbangkan osilasi menurut perubahan karakteristiknya (amplitudo, frekuensi, periode, dll.), maka osilasi dapat dibagi menjadi harmonis, kabur, pertumbuhan(serta gigi gergaji, persegi panjang, kompleks).

Selama osilasi bebas dalam sistem nyata, kehilangan energi selalu terjadi. Energi mekanik dihabiskan, misalnya, untuk melakukan usaha mengatasi gaya hambatan udara. Di bawah pengaruh gesekan, amplitudo osilasi berkurang, dan setelah beberapa waktu osilasi berhenti. Jelasnya, semakin besar gaya resistensi terhadap gerakan, semakin cepat osilasi berhenti.

Getaran paksa. Resonansi

Osilasi paksa tidak teredam. Oleh karena itu, perlu untuk mengisi kembali kehilangan energi untuk setiap periode osilasi. Untuk melakukan ini, perlu untuk mempengaruhi benda yang berosilasi dengan kekuatan yang berubah secara berkala. Getaran paksa terjadi dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi perubahan gaya luar.

Getaran paksa

Amplitudo getaran mekanis paksa mencapai nilai terbesarnya jika frekuensi gaya penggerak bertepatan dengan frekuensi sistem osilasi. Fenomena ini disebut resonansi.

Misalnya, jika kita menarik kabel secara berkala seiring dengan getarannya sendiri, kita akan melihat peningkatan amplitudo getarannya.

Jika Anda menggerakkan jari yang basah di sepanjang tepi gelas, gelas akan mengeluarkan bunyi dering. Meski tidak terlihat, jari bergerak sebentar-sebentar dan mentransfer energi ke kaca dalam waktu singkat, sehingga menyebabkan kaca bergetar.

Dinding kaca juga mulai bergetar jika gelombang suara dengan frekuensi yang sama diarahkan ke sana. Jika amplitudo menjadi sangat besar, kaca bahkan bisa pecah. Karena resonansi, ketika F.I. Chaliapin bernyanyi, liontin kristal di lampu gantung bergetar (beresonansi). Terjadinya resonansi juga dapat diamati pada kamar mandi. Jika Anda menyanyikan suara dengan frekuensi berbeda dengan tenang, resonansi akan muncul di salah satu frekuensi.

Dalam alat musik, peran resonator dilakukan oleh bagian tubuhnya. Seseorang juga memiliki resonatornya sendiri - ini adalah rongga mulut, yang memperkuat suara yang dihasilkan.

Fenomena resonansi harus diperhitungkan dalam praktiknya. Dalam beberapa kasus hal ini dapat bermanfaat, dalam kasus lain dapat merugikan. Fenomena resonansi dapat menyebabkan kerusakan permanen pada berbagai sistem mekanis, seperti jembatan yang dirancang dengan buruk. Jadi, pada tahun 1905, Jembatan Mesir di St. Petersburg runtuh ketika satu skuadron kuda melewatinya, dan pada tahun 1940, Jembatan Tacoma di AS runtuh.

Fenomena resonansi digunakan ketika, dengan bantuan gaya kecil, diperlukan peningkatan amplitudo getaran yang besar. Misalnya, lidah bel besar yang berat dapat diayunkan dengan menerapkan gaya yang relatif kecil dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi alami bel.

GETARAN HARMONIS

Pengujian daring

Osilasi harmonik

Persamaan getaran harmonik

Persamaan osilasi harmonik menetapkan ketergantungan koordinat benda terhadap waktu

Grafik kosinus pada momen awal bernilai maksimum, dan grafik sinus bernilai nol pada momen awal. Jika kita mulai mempelajari osilasi dari posisi setimbang, maka osilasi akan berulang secara sinusoidal. Jika kita mulai memperhatikan osilasi dari posisi deviasi maksimum, maka osilasi akan digambarkan dengan kosinus. Atau osilasi seperti itu dapat dijelaskan dengan rumus sinus dengan fase awal.

Perubahan kecepatan dan percepatan selama osilasi harmonik

Tidak hanya koordinat benda yang berubah seiring waktu menurut hukum sinus atau kosinus. Namun besaran seperti gaya, kecepatan dan percepatan juga berubah dengan cara yang sama. Gaya dan percepatan maksimum ketika benda yang berosilasi berada pada posisi ekstrim dimana perpindahannya maksimum, dan bernilai nol ketika benda melewati posisi setimbang. Sebaliknya, kecepatan pada posisi ekstrim adalah nol, dan ketika benda melewati posisi setimbang, ia mencapai nilai maksimumnya.

Jika osilasi dijelaskan oleh hukum kosinus

Jika osilasi dijelaskan menurut hukum sinus

Nilai kecepatan dan percepatan maksimum

Setelah menganalisis persamaan ketergantungan v(t) dan a(t), kita dapat menebak bahwa kecepatan dan percepatan mengambil nilai maksimum jika faktor trigonometri sama dengan 1 atau -1. Ditentukan oleh rumus

Rumus ketergantungan kecepatan terhadap waktu dan percepatan terhadap waktu dapat diperoleh secara matematis dengan mengetahui ketergantungan koordinat terhadap waktu. Mirip dengan gerak dipercepat beraturan, ketergantungan v(t) adalah turunan pertama dari x(t). Dan ketergantungan a(t) merupakan turunan kedua dari x(t).

Parameter terpenting yang mengkarakterisasi getaran mekanis, suara, listrik, elektromagnetik, dan semua jenis getaran lainnya adalah periode- waktu terjadinya satu osilasi penuh. Jika, misalnya, pendulum sebuah jam membuat dua osilasi lengkap dalam waktu 1 s, periode setiap osilasi adalah 0,5 s. Periode osilasi suatu ayunan besar adalah sekitar 2 s, dan periode osilasi suatu tali dapat berkisar dari sepersepuluh hingga sepersepuluh ribu detik.

Gambar 2.4 - Osilasi

Di mana: φ – fase osilasi, SAYA– kekuatan saat ini, Ia– nilai amplitudo kekuatan arus (amplitudo)

T– periode fluktuasi saat ini (periode)

Parameter lain yang mengkarakterisasi fluktuasi adalah frekuensi(dari kata "sering") - angka yang menunjukkan berapa banyak osilasi lengkap per detik yang dilakukan oleh pendulum jam, benda yang berbunyi, arus dalam konduktor, dll. Frekuensi osilasi diperkirakan dengan satuan yang disebut hertz (disingkat Hz): 1 Hz adalah satu osilasi per detik. Jika, misalnya, sebuah dawai yang dibunyikan menghasilkan 440 getaran lengkap dalam 1 s (pada saat yang sama menghasilkan nada “A” pada oktaf ketiga), frekuensi getarannya dikatakan 440 Hz. Frekuensi arus bolak-balik jaringan penerangan listrik adalah 50 Hz. Dengan arus ini, elektron dalam kabel jaringan mengalir secara bergantian 50 kali dalam satu arah dan jumlah yang sama dalam arah berlawanan dalam satu detik, yaitu. melakukan 50 osilasi lengkap dalam 1 s.

Satuan frekuensi yang lebih besar adalah kilohertz (kHz tertulis), sama dengan 1000 Hz, dan megahertz (MHz tertulis), sama dengan 1000 kHz atau 1.000.000 Hz.

Amplitudo- nilai maksimum perpindahan atau perubahan suatu variabel selama gerak osilasi atau gelombang. Besaran skalar non-negatif, diukur dalam satuan tergantung pada jenis gelombang atau getaran.

Gambar 2.5 - Osilasi sinusoidal.

Di mana, kamu- amplitudo gelombang, λ - panjang gelombang.

Misalnya:

amplitudo getaran mekanis suatu benda (getaran), untuk gelombang pada tali atau pegas, adalah jarak dan ditulis dalam satuan panjang;

Amplitudo gelombang suara dan sinyal audio biasanya mengacu pada amplitudo tekanan udara dalam gelombang, namun kadang-kadang digambarkan sebagai amplitudo perpindahan relatif terhadap keseimbangan (udara atau diafragma pembicara). Logaritmanya biasanya diukur dalam desibel (dB);

untuk radiasi elektromagnetik, amplitudonya sesuai dengan besarnya medan listrik dan magnet.

Bentuk perubahan amplitudo disebut gelombang amplop.

Getaran suara

Bagaimana gelombang suara muncul di udara? Udara terdiri dari partikel-partikel yang tidak terlihat oleh mata. Saat angin bertiup, mereka dapat diangkut dalam jarak jauh. Tapi mereka juga bisa ragu. Misalnya kita melakukan gerakan tajam dengan tongkat di udara, kita akan merasakan sedikit hembusan angin sekaligus mendengar suara samar. Suara ini akibat getaran partikel udara yang tereksitasi oleh getaran tongkat.

Ayo lakukan eksperimen ini. Mari kita tarik senarnya, misalnya gitar, lalu lepaskan. Senar akan mulai bergetar – berosilasi di sekitar posisi istirahat aslinya. Getaran senar yang cukup kuat terlihat oleh mata. Getaran senar yang lemah hanya dapat dirasakan sebagai sedikit rasa menggelitik jika Anda menyentuhnya dengan jari. Saat senar bergetar, kita mendengar suara. Begitu senar menjadi tenang, suaranya akan menghilang. Lahirnya bunyi di sini merupakan hasil kondensasi dan penghalusan partikel-partikel udara. Berosilasi dari sisi ke sisi, tali tersebut menekan, seolah-olah menekan, partikel udara di depannya, membentuk area bertekanan tinggi dalam volume tertentu, dan sebaliknya, area bertekanan rendah di belakangnya. Ini dia gelombang suara. Menyebar melalui udara dengan kecepatan sekitar 340 m/s, mereka membawa sejumlah energi. Pada saat area dengan peningkatan tekanan gelombang suara mencapai telinga, ia menekan gendang telinga, membengkokkannya sedikit ke dalam. Ketika bagian gelombang suara yang dijernihkan mencapai telinga, gendang telinga sedikit menekuk ke luar. Gendang telinga terus-menerus bergetar seiring waktu dengan area bertekanan udara tinggi dan rendah yang bergantian. Getaran ini ditransmisikan melalui saraf pendengaran ke otak, dan kita menganggapnya sebagai suara. Semakin besar amplitudo gelombang suara, semakin banyak energi yang dibawanya, dan semakin keras pula suara yang kita rasakan.

Gelombang suara, seperti getaran air atau listrik, diwakili oleh garis bergelombang - gelombang sinus. Punuk-punuknya melambangkan daerah bertekanan tinggi, dan cekungannya melambangkan daerah bertekanan udara rendah. Daerah bertekanan tinggi dan daerah bertekanan rendah berikutnya membentuk gelombang suara.

Berdasarkan frekuensi getaran suatu benda yang berbunyi, seseorang dapat menilai nada atau nada suatu suara. Semakin tinggi frekuensi maka semakin tinggi nada bunyinya, begitu pula sebaliknya, semakin rendah frekuensi maka semakin rendah nada bunyinya. Telinga kita mampu merespons pita frekuensi yang relatif kecil (bagian) getaran suara - sekitar 20 Hz hingga 20 kHz. Namun demikian, pita frekuensi ini mengakomodasi seluruh rentang suara yang diciptakan oleh suara manusia dan orkestra simfoni: dari nada yang sangat rendah, mirip dengan suara dengungan kumbang, hingga derit nyamuk bernada tinggi yang nyaris tidak terlihat. Frekuensi osilasi hingga 20 Hz, disebut infrasonik, Dan di atas 20 kHz, disebut ultrasonik, kami tidak mendengar. Dan jika gendang telinga kita ternyata mampu merespon getaran ultrasonik, maka kita bisa mendengar cicit kelelawar, suara lumba-lumba. Lumba-lumba memancarkan dan mendengar getaran ultrasonik dengan frekuensi hingga 180 kHz.

Tapi orang tidak boleh bingung dengan tingginya, mis. nada suara dengan kekuatannya. Tinggi rendahnya nada suatu bunyi tidak bergantung pada amplitudo, tetapi pada frekuensi getarannya. Senar suatu alat musik yang tebal dan panjang, misalnya, menghasilkan nada bunyi yang rendah, yaitu. bergetar lebih lambat daripada senar tipis dan pendek, menghasilkan suara bernada tinggi (Gbr. 1).

Gambar 2.6 - Gelombang suara

Semakin tinggi frekuensi getaran senar, semakin pendek gelombang bunyinya dan semakin tinggi nada bunyinya.

Dalam teknik kelistrikan dan radio, digunakan arus bolak-balik dengan frekuensi mulai dari beberapa hertz hingga ribuan gigahertz. Antena radio siaran, misalnya, dialiri arus dengan frekuensi berkisar antara 150 kHz hingga 100 MHz.

Getaran yang berubah dengan cepat ini, yang disebut getaran frekuensi radio, adalah sarana transmisi suara secara nirkabel dalam jarak jauh.

Seluruh rangkaian besar arus bolak-balik biasanya dibagi menjadi beberapa bagian - subrentang.

Arus dengan frekuensi 20 Hz sampai 20 kHz, sesuai dengan getaran yang kita rasakan sebagai suara dengan nada berbeda, disebut arus(atau fluktuasi) frekuensi audio, dan arus dengan frekuensi di atas 20 kHz - arus frekuensi ultrasonik.

Arus dengan frekuensi 100 kHz sampai 30 MHz disebut arus frekuensi tinggi,

Arus dengan frekuensi di atas 30 MHz - arus frekuensi ultra-tinggi dan ultra-tinggi.

Saat berosilasi, gerakan tubuh berulang secara berkala. Periode waktu T selama sistem menyelesaikan satu siklus osilasi penuh disebut periode osilasi.

Mengetahui periodenya, Anda bisa menentukan frekuensi getaran, yaitu Banyaknya getaran per satuan waktu, misalnya per detik. Jika satu osilasi terjadi dalam waktu T, maka banyaknya osilasi dalam sekon

Satuan frekuensi disebut Hertz (Hz) untuk menghormati fisikawan Jerman G. Hertz.

Besarannya adalah frekuensi osilasi siklik atau melingkar. Frekuensi siklik getaran bebas disebut frekuensi alami sistem osilasi.

Periode osilasi sama dengan:

Frekuensi alami osilasi bandul matematis pada sudut defleksi kecil benang dari vertikal bergantung pada panjang bandul dan percepatan gravitasi:

Periode osilasi ini sama dengan:

Tiket 10.

1) Konversi energi selama getaran harmonik.

Energi mekanik total selama osilasi suatu benda yang diikatkan pada pegas sama dengan jumlah energi potensial kinetik sistem osilasi:

Energi kinetik dan energi potensial berubah secara berkala. Tetapi energi mekanik total suatu sistem terisolasi, yang di dalamnya tidak terdapat gaya hambatan, tetap (menurut hukum kekekalan energi mekanik) tidak berubah. Ini sama dengan energi potensial pada saat penyimpangan maksimum dari posisi setimbang, atau energi kinetik pada saat benda melewati posisi setimbang:

Energi benda yang berosilasi tanpa adanya gaya gesekan tetap tidak berubah. Jika gaya hambatan bekerja pada benda sistem, maka terjadilah getaran kabur.

Tiket 11.

1) Getaran elektromagnetik. Getaran bebas dan paksa. Rangkaian osilasi. Transformasi energi selama osilasi elektromagnetik.

Getaran elektromagnetik- perubahan muatan, arus dan tegangan secara berkala atau hampir berkala. Biasanya terjadi dengan frekuensi yang sangat tinggi, jauh melebihi frekuensi getaran mekanis. Oleh karena itu, osiloskop elektronik sangat nyaman untuk mengamati dan mempelajarinya.

Getaran bebas disebut osilasi yang terjadi pada suatu sistem setelah dipindahkan dari posisi setimbang. Dalam kasus kita, sistem osilasi (kapasitor dan kumparan) menjadi tidak seimbang ketika muatan diberikan ke kapasitor. Pengisian kapasitor setara dengan penyimpangan pendulum dari posisi setimbangnya.

Getaran paksa- osilasi dalam rangkaian di bawah pengaruh gaya gerak listrik eksternal yang berubah secara berkala.

Rangkaian osilasi- sistem paling sederhana di mana osilasi elektromagnetik bebas dapat terjadi, terdiri dari kapasitor dan kumparan yang dihubungkan ke pelatnya.

Mari kita isi kapasitor dengan menghubungkannya ke baterai sebentar menggunakan saklar. Dalam hal ini kapasitor akan menerima energi

dimana adalah muatan kapasitor, dan C adalah kapasitas listriknya. Beda potensial timbul antara pelat-pelat kapasitor.

Ketika kapasitor dilepaskan, energi medan listrik berkurang, tetapi energi medan magnet arus meningkat, yang ditentukan oleh rumus:

dimana saya – kekuatan arus bolak-balik; L – induktansi kumparan.

Energi total W dari rangkaian elektromagnetik sama dengan jumlah energi medan magnet dan listriknya:

Pada saat kapasitor habis seluruhnya (q = 0), energi medan listrik menjadi nol. Energi medan magnet arus menurut hukum kekekalan energi akan maksimum. Pada saat ini, arus juga akan mencapai nilai maksimumnya.

Mari kita asumsikan bahwa osilasinya tidak teredam. Pada interval yang sama dengan periode osilasi, keadaan sistem akan terulang secara tepat. Energi total tidak akan berubah, dan nilainya setiap saat akan sama dengan energi maksimum medan listrik atau energi maksimum medan magnet:

Namun pada kenyataannya, kehilangan energi tidak bisa dihindari.

Dalam rangkaian osilasi, energi medan listrik kapasitor bermuatan secara berkala berubah menjadi energi medan magnet arus. Dengan tidak adanya hambatan pada rangkaian, energi total medan elektromagnetik tetap tidak berubah.

Tiket 12.

1) Analogi antara getaran mekanik dan elektromagnetik.

Osilasi elektromagnetik pada rangkaian mirip dengan osilasi mekanis bebas, misalnya osilasi suatu benda yang diikatkan pada pegas. Kesamaan tersebut tidak berkaitan dengan sifat besaran itu sendiri yang berubah secara periodik, melainkan pada proses perubahan periodik pada berbagai besaran.

Sifat identik dari perubahan besaran (mekanik dan listrik) dijelaskan oleh fakta bahwa terdapat analogi dalam kondisi di mana timbul getaran mekanis dan elektromagnetik.

Getaran elektromagnetik dan mekanik mempunyai sifat yang berbeda, namun dijelaskan dengan persamaan yang sama.

Tiket 13.

1) Arus listrik bolak-balik.

Osilasi elektromagnetik bebas dalam rangkaian dengan cepat memudar, dan oleh karena itu praktis tidak digunakan. Sebaliknya, osilasi paksa yang tidak teredam mempunyai kepentingan praktis yang besar. Arus bolak-balik dalam jaringan penerangan apartemen, yang digunakan di pabrik, dll., tidak lebih dari osilasi elektromagnetik paksa. Arus dan tegangan berubah seiring waktu menurut hukum harmonik.

Jika tegangan pada ujung-ujung rangkaian berubah menurut hukum harmonik, maka kuat medan listrik di dalam penghantar akan berubah secara harmonis. Perubahan harmonik dalam kekuatan medan ini, pada gilirannya, menyebabkan osilasi harmonik dalam kecepatan pergerakan teratur partikel bermuatan dan, oleh karena itu, osilasi harmonik dalam kekuatan arus.

Namun ketika tegangan pada ujung-ujung rangkaian berubah, medan listrik tidak langsung berubah di seluruh rangkaian. Perubahan di lapangan merambat, meskipun dengan kecepatan yang sangat tinggi, tetapi tidak dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Tiket 14.

1) Kuat arus pada rangkaian dengan resistor.

Misalkan rangkaian terdiri dari kabel penghubung dan beban dengan induktansi rendah dan resistansi tinggi R. Besaran ini, yang selama ini kita sebut hambatan listrik atau sederhananya hambatan, sekarang disebut resistensi aktif.

Resistansi R disebut aktif karena dengan adanya beban yang mempunyai hambatan tersebut maka rangkaian menyerap energi yang berasal dari generator. Energi ini diubah menjadi energi internal konduktor - mereka memanas. Kita asumsikan bahwa tegangan pada terminal rangkaian berubah menurut hukum harmonik:

Seperti halnya arus searah, nilai sesaat arus berbanding lurus dengan nilai sesaat tegangan. Oleh karena itu, untuk mencari nilai arus sesaat, Anda dapat menerapkan hukum Ohm:

Dalam konduktor dengan resistansi aktif, fluktuasi arus bertepatan satu fase dengan fluktuasi tegangan, dan amplitudo arus ditentukan oleh persamaan:

Tiket 15.

1) Kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik.

Arus searah tidak dapat mengalir melalui rangkaian yang mengandung kapasitor. Faktanya, dalam hal ini rangkaian menjadi terbuka, karena pelat kapasitor dipisahkan oleh dielektrik. Arus bolak-balik dapat mengalir melalui rangkaian yang mengandung kapasitor.