Różne typy drgań i ich graficzne przedstawienie
Drgania można podzielić na trzy kategorie ze względu na ilość wymiarów przestrzennych, w jakich zachodzą.
Mamy więc drgania:
– trójwymiarowe (np. drgania termiczne atomu w sieci krystalicznej),
– dwuwymiarowe (np. ruch Ziemi wokół Słońca po orbicie – płaskiej, a jakże),
– jednowymiarowe (np. pionowe drgania kulki zawieszonej na sprężynie).
Ponieważ drgania dwu i trójwymiarowe można zawsze przedstawić jako złożenie odpowiednio dwóch lub trzech drgań jednowymiarowych względem odpowiednich osi przyjętego układu współrzędnych, więc bez utraty ogólności rozważań możemy się dalej zająć szczegółowiej wyłącznie drganiami jednowymiarowymi.
Drgania jednowymiarowe bardzo łatwo jest przedstawić graficznie sporządzając wykres zależności wychylenia oscylującego ciała z położenia równowagi \(x\) od czasu \(t\), czyli po prostu wykres funkcji \(x=f(t)\).
Poniżej przedstawionych jest kilka przykładowych wykresów ruchów drgających – nie tylko mechanicznych, ale i elektrycznych. Dzięki współdziałaniu siły zwrotnej oraz bezwładności dynamicznej układu.
A) Wzorcowe EKG (elektrokardiogram), czyli zapis „drgań elektrycznych” naszego serca (na pionowej osi napięcie – na poziomej czas).
B) Zapis drgań poziomych gruntu i budynku osadzonego w tym gruncie, wywołanych odstrzałem miny w pobliskim kamieniołomie (mieszkańcy oczywiście życzyliby sobie zawsze wykresów w postaci poziomej kreski – brak drgań).
C) Drgania generowane przez układy elektroniczne (kolejno widać drgania sinusoidalne, prostokątne, trójkątne i piłokształtne).
D) Zapis drgań ciężarka zawieszonego na sprężynie. Na poziomej osi odmierzana jest zmiana długości sprężyny (wartość dodatnia – wydłużenie, wartość ujemna – skrócenie). Niebieski wykres dotyczy drgań w powietrzu, czerwony drgań w oleju (istotnie zwiększone tłumienie)
Analizując powyższe rysunki można zauważyć pewną wspólną cechę przebiegów z A,C i D, odróżniającą je od tych z B. Mimo wszelkich szczegółowych różnic w kształcie wykresów zwraca uwagę cykliczna powtarzalność pewnej charakterystycznej dla każdego z nich sekwencji (przebiegi z B można na ich tle śmiało określić jako chaotyczne). Tego typu drgania nazywać będziemy cyklicznymi bądź okresowymi. Mimo, iż są one dość szczególne, to ich znaczenie w fizyce jest ogromne i to im właśnie poświęca się większość uwagi.