大连蜗牛振动盘生产厂家
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大连振动盘厂家|简谐振动的生活实例

发表时间:2023-03-29 11:35作者:大连振动盘厂家

大连振动盘厂家|作为一种基元振动,简谐振动在生活中有很多简单而有趣的体现。在机械运动中,给出一个小位移,我们往往能观察到很多属于(或近似)简谐振动的现象。此外,由基元合成的运动形式和各种波动更是屡见不鲜。以下试举几例来说明简谐运动的普遍性和基础性。

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“摆动”:座钟钟摆的移动、轻轻荡秋千

两种现象有一共同特点:角位移较小情况下的摆动。摆钟根据物理学的单摆原理制作,其目的是控制齿轮等结构,使时钟均匀转动。我们聚焦钟摆的运动过程:摆从最高位置运动到最低位置,重力势能转化为动能;由于其本身仍有速度,便继续运动到另一侧的最高位置,动能转化为重力势能;于是再向下摆,如此往复。我们可以观察到位移、摆角、速度与运动方向关于竖直的平衡位置的对称,以及系统的能量守恒(不考虑损耗)。这正是规律简洁鲜明的简谐运动。

同样,荡秋千时如果有人在后面把我们抬高后松手,设定别人松手的高处为平衡位置,我们就在一个对平衡位置的位移成正比(力越大,荡得越远)而反向(例如,最初牵着我们的力向右,而运动向左)的外力作用下进行往复运动,直到因能量损耗而停下,我们也可看作简谐运动的实例。幼时的快乐,包括我们喜爱的不倒翁,或许也正与这种往复对称运动、逼近极限又趋向平衡的节奏有关。

大连振动盘厂家|“弹动”:从弹簧测力计到弹力玩具

弹簧测力计是我们在中学物理中常见的器具,它有一个自然长度,悬挂重物后,弹簧会做上下振动,直到读数稳定。这正是弹簧在弹性限度内做简谐运动的例子。更加有趣的是,市面上的这种弹力玩具(见图2),该设计与弹簧工作的基本原理有异曲同工之妙,竖直拿起时会与弹簧测力计的运动状态类似。其他情况如图2右侧所示。在这种弯曲的放置状态下,如果我们按住两端,在水平方向对其施加一个力,会看到它左右扭晃、最终恢复到图示状态。

“浮动”:水面上物体的浮动或浮桥的摆动

我们经常看到:载货的轮船在水面上会有相当程度的上下浮动。水盆中投入一个能漂浮的小球或木板,同样会有细微的振动才能稳定。我们去水上乐园往往也会踩气垫或木板做的浮桥,彼时会有“乱摆”之感,仿佛在上下左右各个方向都因受到脚踩的反作用力而产生位移。

上述小范围“浮动”现象与简谐振动也有密切关联。我们以较为复杂的浮桥摆动为例,分析浮桥受力和运动情况。人行进过程中的脚踩是使浮桥振动的主因,合外力在水平和垂直方向上分解,运动情况同样分解为上下振动和左右振动。两种运动过程都围绕无外力施加、稳定漂浮的状态做往复运动,向两侧偏离的幅度基本相同。从经验观察来推断,若把水平和竖直不同方向上浮桥的相对位移、速度和加速度同时间的变化关系绘成图像,其大概也是在一定范围内波动的曲线,这正是简谐运动的基本特点。从而,我们在“乱摆”之中能发现“有序”,只需对复杂现象做理论上的分析与实践考察中的解剖。

声现象:下课铃声或演奏弦乐器

当我写至此处时,恰逢北大特色的“当当当”三声下课铃重复敲了两遍。我们知道,简谐振动概念可以从物体的运动学拓展到波动层面,此时我只觉下课铃声颇为悦耳,一声之中长音回荡、强弱层次错落有致,三声铃响之起落间隔分明、富于节奏感,或许其波形(或部分波段)类似简谐波?

我们已知,演奏弦乐器时弦线被激发,弦上两列相向传播的行波叠加成驻波,固定的两端弦线为其波节;即,驻波的本质正是简谐波(纵波)的叠加。那么,可以做适当的类比,把下课铃声(以及类似的声现象,如管乐器、敲击音叉)的波看作是简谐振动(或其叠加而成的复杂振动)吗?在粗略的定性想象中,我们或许可以这样认为;因其直观上比较符合简谐振动的和谐特性,其基频和谐频大体合意。至于事实如何,则需要通过更深入的理论来分析,交由实验来证明。


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