حرکت ارتعاشی

اهداف مطلب:

شما بارها دیده اید که برخی اجسام تکان می خورند و حرکت رفت و برگشتی انجام می دهند. آن ها ارتعاش دارند؛ گویی می لرزند و نوسان می کنند!

این عبارت های جالب، حرکت خاصی از اجسام را نشان می دهند؛ ضمن این که این عبارت ها و اصطلاحات، حرکت ماده در سطح اتمی را هم توصیف می کنند. پس اتم های مواد نیز علاوه بر این که تکان می خورند، حرکت رفت و برگشتی هم انجام می دهند. تکان خوردن، ارتعاش و نوسان ها جزو جدایی ناپذیر طبیعت اطراف ما هستند.

در این مطلب و مطالب مرتبط به آن می خواهیم حرکت ارتعاشی و رابطه آن با امواج را بررسی کنیم. اگر مطالب مربوط به امواج را بهتر متوجه شویم، خواهیم توانست دنیای نور و صوت را نیز درک کنیم.

شرح درس:

حتما شما عروسک هایی با سرهای متحرک که رانندگان تاکسی معمولا در ماشین خود از آن ها دارند، دیده اید. این عروسک ها یک سر بزرگ دارند که با فنری به پایه وصل شده است. این سر بزرگ با یک تکان ساده دست، تکان می خورد؛ یعنی ارتعاش و نوسان می کند؛ بنابراین حرکت رفت و برگشتی انجام می دهد که البته برای همیشه ادامه نخواهد داشت. چون ارتعاشات بعد از مدتی کم تر شده و سر متحرک کم کم نزدیک نقطه اولیه سکون خود از حرکت خواهد ایستاد.

این عروسک مثال بسیار خوبی از حرکت ارتعاشی است.

• از چه عبارات خاصی می توان برای توصیف این حرکت استفاده کرد؟
• در طول زمان با توجه به کلمات فیزیکی مرتبط چگونه می توان سر متحرک عروسک را توصیف کرد؟
• حرکات اجسام متحرک دیگری که رفت و برگشت دارند با این عروسک ها چه تفاوتی دارد؟
• چه کمیت های فیزیکی را می توان در این حرکت ها اندازه گرفت؟
• عامل این حرکت از نظر شما چیست؟
• چرا این حرکت در نهایت متوقف می شود؟

ما در این مطلب و مطالب مرتبط به آن به این پرسش ها پاسخ خواهیم داد.

عامل ارتعاش اجسام چیست؟

بار دیگر عروسک با سر متحرک را در نظر بگیرید. تمام حرکت های ارتعاشی، یک نقطه سکون و یا تعادل دارند. این مکان سکون و تعادل، جایی است که هر جسم مرتعش زمانی که از ارتعاش بیفتد، تمایل به ساکن شدن در آن نقطه را خواهد کرد.

پس بهتر است این نقطه را نقطه تعادل بنامیم. زمانی که جسمی در نقطه تعادل باشد، در یک حالت تعادلی قرار دارد.  همان گونه که از قوانین نیوتون به یاد می آورید، جسمی که در حالت تعادل قرارداشته باشد، تمام نیروهای وارد بر آن نیز در حال تعادل هستند. یعنی جمع و برایند تمام نیروهای جاذبه ، فنر و ... نیروی خالص صفر نیوتن خواهد بود. جسم تا زمانی که نیرو و عاملی برای اختلال و حرکت آن وجود نداشته باشد، در این حالت تعادلی خواهد ماند.

شکل فوق یک تعادل استاتیکی را نشان می دهد

وقتی نیرویی به سر عروسک وارد شود، از اصطلاح ارتعاش واداشته برای توصیف این نیرو استفاده خواهیم کرد. این نیرو زود گذر و آنی است که در ابتدای حرکت عروسک وجود دارد. عروسک، حرکت رفت و برگشتی خود را شروع کرده و این حرکت مدام تکرار می شود اما هر بار که زمان می گذرد، قدرت این حرکات کم تر و کم تر می شود تا در نهایت جسم متوقف شود. در این حالت، جسم میرایی یا کم شدن حرکت نسبت به شروع را تجربه کرده است. گرایش اجسام ارتعاشی به از دست دادن یا کم کردن انرژی خود در طول زمان را میرایی می نامند.

تفاوت حرکت ارتعاشی و انتقالی:

حرکت ارتعاشی با حرکت انتقالی کاملا تفاوت دارد. در حرکت انتقالی، جسم به طور دائمی جابه جا می شود . نیروی اولیه ی وارد بر جسم، آن را از حالت سکون در آورده و باعث حرکت آن می شود؛ اما به دلیل این که هیچ نیروی بازگرداننده ای وجود ندارد، جسم به حرکت خود در جهت اولیه ادامه می دهد.

اما زمانی که جسم ارتعاش می کند، به صورت دائمی از مکان خود حرکت نمی کند؛ نیروی بازگرداننده باعث کند شدن آن شده و جهت حرکت آن را عوض می کند تا به مکان تعادلی اولیه آن برگرداند.

بنابراین در حرکت انتقالی، جسم دائما از موقعیت تعادلی خود جابه جا می شود ولی در حرکت ارتعاشی، جسم در اطراف مکان ثابتی که موقعیت تعادلی اولیه نام دارد، تکان می خورد و به دلیل وجود نیروی بازگرداننده، اجسام مرتعش، حرکت رفت و برگشتی انجام می دهند.

مفهوم نیروی بازگرداننده را در قسمت مربوط به آونگ بیشتر بررسی خواهیم کرد. حرکت ارتعاشی و نوسانی دارای ابعاد گسترده ای است؛ به عنوان مثال، آونگ در حال نوسان و یا جرمی که به فنری وصل شده است و یا دیاپازون نمونه هایی از اجسام مرتعش هستند.

در مطلب بعدی با حرکت آونگ یا پاندول بیشتر آشنا خواهیم شد.