From Wikipedia, the free encyclopedia
Níhanje (s tujko oscilacija) je periodično gibanje, ki se ga lahko opredeli z amplitudo ter frekvenco ali nihajnim časom. Navadno se obravnava sinusno nihanje, pri katerem se odmik ali odklon sinusno spreminjata s časom.
Amplituda nihanja je največji odmik ali odklon, nihajni čas ali perioda je čas, ki ga nihalo potrebuje za gibanje med dvema zaporednima ustreznima odmikoma ali odklonoma (npr. med dvema zaporednima obiskoma ene od skrajnih leg), frekvenca pa je število nihajev na sekundo.
Sinusno nihanje lahko opišemo z diferencialno enačbo
Pri tem je x odmik ali druga nihajoča količina, t čas, β konstanta dušenja, ω0 karakteristična krožna frekvenca, člen A0cosωt pa opisuje vsiljeno nihanje z amplitudo A0 in krožno frekvenco ω.
Nedušeno nihanje lahko opišemo z enačbo
Rešitev takšne enačbe je
Pri tem je x0 amplituda, ω0 lastna krožna frekvenca in δ fazni premik nihanja. Celotnemu argumentu kosinusne funkcije pravimo faza valovanja.
Za zgled lahko izpeljemo gibalno enačbo za vzmetno nihalo. Za vzmet velja Hookov zakon, po drugi strani pa 2. Newtonov zakon povezuje silo s pospeškom. Oba izraza za silo izenačimo:
Vemo tudi, da je pospešek drugi odvod lege po času, zatorej lahko enačbo prepišemo v obliko
Če oba člena prenesemo na isto stran, vidimo, da ima enačba obliko enačbe za nedušeno nihanje. Rešimo jo lahko z nastavkom
Lastna krožna frekvenca takega nihala je enaka:
Nedušeno nihanje je idealizacija, saj imamo pri realnih sistemih navadno opravka z uporom ali trenjem. Kot nedušeno nihanje lahko približno opišemo nihanje matematičnega nihala, nihajnega kroga ali kvantnomehanskega harmoničnega oscilatorja.
Pri dušenem nihanju se energija nihanja zaradi upora ali trenja s časom manjša. Če je izguba energije premo sorazmerna energiji nihanja, lahko takšno dušeno nihanje opišemo z enačbo
Rešitev takšne enačbe je
Pri tem je lastna krožna frekvenca dušenega nihala enaka
Lastna krožna frekvenca dušenega nihala je torej manjša od lastne krožne frekvence nedušenega nihala. Dušenje je podkritično, če velja ω0 > β, in nadkritično, če velja ω0 < β. V slednjem primeru nihalo ne niha, ampak se neperiodično približuje ravnovesni legi. Dušeno nihanje lahko približno opišemo kot nedušeno, če je čas opazovanja majhen v primerjavi z 1/β
Zgled za dušeno nihanje je nihalo na vijačno vzmet, ki niha v viskozni tekočini.
Pri vsiljenem nihanju nihalu od zunaj vsiljujemo gibanje z dano frekvenco. Takšno nihanje lahko opišemo z enačbo
Takšno nihanje lahko primerjamo z nihanjem sestavljenega nihala.
Zgled za vsiljeno nedušeno nihanje je nihajni krog, ki mu od zunaj vsiljujemo izmenično napetost.
Pri realnem nihanju dušenega nihala, ki mu od zunaj vsiljujemo nihanje z neko frekvenco, opazimo, da lastno nihanje s časom izzveni, nihalo pa začne nihati z vsiljeno frekvenco. Za opis takšnega nihanja potrebujemo splošno obliko enačbe,
Amplituda nihanja takega nihala je največja, če je vsiljena frekvenca enaka lastni frekvenci. Tedaj pravimo, da je nihalo v resonanci. Resonančno krivuljo za različne vrednosti opišemo z enačbo
Pri tem je ξ razmerje med vsiljeno in lastno frekvenco, ξ = ω/ω0.
Zgled za vsiljeno nihanje je nihajni krog z uporom.