VI.1. Oscilații mecanice

Oscilația mecanică (vibrația) reprezintă mișcarea simetrică (de o parte și de alta) a unui corp față de o poziție de echilibru, repetată periodic (la intervale de timp egale).

Oscilatorul este corpul care efectuează oscilații.

Mișcarea oscilatorie are loc cu transformarea energiei dintr-o formă în alta (energie cinetică în energie potențială și invers).

Exemple de oscilatori:

1. Pendul gravitațional: un corp suspendat de un fir inextensibil, ridicat într-o parte și lăsat liber, efectuează oscilații în jurul poziției de echilibru (verticală) . Mişcarea pendulului este cea mai simplă mişcare oscilatorie. Dacă deplasăm pendulul într-o parte şi apoi îi dăm drumul, el revine spre poziţia de echilibru, dar în virtutea inerţiei îşi continuă drumul de cealaltă parte a poziţiei de echilibru, de unde apoi se întoarce.

2. Pendul elastic: un corp suspendat de un resort, tras în jos și lăsat liber, efectuează o mișcare în sus și în jos față de poziția de echilibru.

3. Un leagăn scos din poziția de echilibru (verticală) execută mișcări de o parte și de alta față de această poziție.

4. O lamă elastică de oțel mișcată într-o parte se alungește și se comprimă și apoi revine la poziția de echilibru datorită forței elastice.

5. O coloană de apă dintr-un tub U, dacă suflăm la gura unei ramuri se produce o denivelare a apei și coloana de lichid oscilează de-o parte și de alta, sub acțiunea greutății sale.

6. Mișcarea du-te-vino a ștergătoarelor de parbriz.

7. Mișcarea du-te-vino a pistoanelor unui motor.

8. Bătăile aripilor unei păsări (pasărea colibri are o viteză a bătăilor aripilor de 50-80 bătăi pe secundă).

9. Pulsul reprezintă numărul de bătăi (oscilații) pe care inima le face într-un minut, care în stare de repaus este de 60-100 de bătăi pe minut.

Distanța la care se află centrul de greutate al corpului oscilant față de poziția de echilibru se numește elongație (OM = OM').

Elongația maximă (când viteza oscilatorului este 0 deoarece atunci își schimbă sensul de mișcare) = Amplitudine = A (OB₁ = OB₂)

Perioada oscilației (T) este durata unei oscilații complete (dus-întors) a oscilatorului față de poziția de echilibru
( O → B₁ → O → B₂ → O ).

Unitatea de măsură în SI:

Frecvența oscilației ( υ-litera grecească"niu" ) este egală cu numărul de oscilații pe timp, adică invers ca la perioadă.

Unitatea de măsură în SI:

Deci relația dintre perioadă și frecvență este:

👀 Experiment: Perioada unui pendul elastic (matematic)

Materiale necesare:
Suport, riglă, resort, corpuri de diferite mase, cronometru.

Descrierea experimentului:

• Atârnă un corp de resort și trage de corp pe verticală, în jos (nu prea mult) astfel încât corpul să aibă o mișcare pe verticală, sus-jos, adică să oscileze.
• Măsoară timpul în care se efectuează mai multe oscilații complete (dus-întors) pentru diferite mase, împarte timpul măsurat la numărul de oscilații numărate și trece-le în tabel.
• Reprezintă dependența m = f (T²), adică a masei corpului suspendat de resort în funcție de pătratul perioadei T, măsurată în experiment.

Concluzia experimentului:
Vei constata că această dependență este liniară, adică graficul este o linie dreaptă.

Pentru oscilatorul elastic avem formula perioadei sale de oscilație următoarea relație :

Deci perioada pendulului elastic este direct proporțională cu masa (m) în radical a pendulului și invers proporțională cu radicalul constantei elastice (k) a resortului.

👀 Experiment: Perioada unui pendul gravitațional

Materiale necesare:
Suport, riglă, fire de ață de diferite lungimi, un corp (bilă, mingiuță, piuliță), cronometru.

Descrierea experimentului:

• Atârnă un corp de firul de ață și trage de corp în sus (nu prea mult) și lasă corpul să aibă o mișcare sus-jos, adică să oscileze sub acțiunea greutății sale.
• Măsoară timpul în care se efectuează o oscilație completă (dus-întors) pentru diferite lungimi(l ) ale firului și trece-le în tabel.
• Reprezintă dependența l = f (T²), adică a lungimii pendulului gravitațional în funcție de pătratul perioadei (T) măsurată în experiment.

Concluzia experimentului:
Vei constata că această dependență este liniară, adică graficul este o linie dreaptă.

Pentru oscilatorul gravitațional avem formula perioadei sale de oscilație următoarea relație:

Deci perioada pendulului gravitațional este direct proporțională cu lungimea firului inextensibil (l) în radical a pendulului și invers proporțională cu radicalul accelerației gravitaționale (g).

👀 Experiment: Frecvența unui pendul gravitațional

Materiale necesare:
Două piulițe, foarfecă, aţă, bandă adezivă.

Descrierea experimentului:

• Atârnă două piulițe, una de un fir de ață mai scurt și cealaltă de un fir mai lung.
• Agaţă cele două pendule pe blatul unei mese, cu ajutorul benzii adezive, la o distanţă de 10cm.
• Ridică firele celor două pendule la aceeaşi înălţime astfel încât, firele să fie paralele. Dă drumul simultan celor două pendule cu lungimi diferite.
• Măsoară timpul în care cele două pendule efectuează un anumit număr de oscilații și calculează frecvență fiecărui pendul.

  Pendulul scurt oscilează mai repede decât pendulul mai lung.

Concluzia experimentului:
Un corp poate avea un număr mai mare sau mai mic de oscilaţii în unitatea de timp. Mărimea fizică ce ne arată numărul de oscilaţii executate de un corp într-o secundă se numeşte frecvenţă. Ea se exprimă în oscilaţii pe secundă, adică în hertzi.