Harmonické oscilátory

Harmonické oscilátory Ve fyzice jsou nejdůležitější harmonické oscilátory, u nichž se periodicky přeměňuje jedna forma energie v jinou a zpět. Příkladem je matematické kyvadlo. Při vychýlení do krajní polohy se polohová energie hmotného bodu zvýší a působením gravitace se bod začne pohybovat po oblouku do rovnovážné (svislé) polohy. V rovnovážné poloze se tato polohová energie zcela přeměnila v pohybovou energii a díky ní kyvadlo vykývne do krajní polohy na druhé straně. Tam se zastaví, protože pohybová energie se zcela přeměnila v polohovou a děj se opakuje. U závaží na pružině se podobně přeměňuje polohová energie závaží v energii závěsné pružiny a naopak.

Harmonické oscilátory Okamžitá poloha, rychlost i zrychlení hmotného bodu je dána sinusoidou, rychlost je nulová v krajních bodech, poloha a zrychlení v rovnovážném bodě. Znaménko rychlosti se mění v krajních bodech, znaménko zrychlení v rovnovážném bodě. Vlastní frekvence harmonického oscilátoru závisí pouze na jeho parametrech (u kyvadla jen na jeho délce) a je tedy přesně daná. Idealizované matematické kyvadlo nemá žádné ztráty, jeho kmity jsou netlumené a volné a nepotřebují žádnou další energii. Reálný oscilátor má vždy nějaké ztráty a jeho kmity jsou tlumené, tj. jejich amplituda se v čase zmenšuje. Pro dosažení netlumených kmitů se oscilátoru musí přivádět energie zvenčí.

Druhy harmonických oscilátorů Mechanické Kyvadlo Torzní kyvadlo Lihýř Setrvačka Struna Píšťala Zvon Gong Elektrické (RC, LC, krystalové) Relaxační oscilátory – např. tranzistorový astabilní multivibrátor.

Mechanický oscilátor - kyvadlo je těleso, volně otočné kolem pevné vodorovné osy, neprocházející jeho těžištěm. Pokud je takové těleso vychýleno z rovnovážné polohy, koná kývavý pohyb. Při něm se střídavě mění potenciální energie kyvadla na kinetickou energii kyvadla a naopak.

Mechanický oscilátor - Torzní kyvadlo je tuhé těleso zavěšené na pružném závěsu. Toto těleso přitom může volně kmitat ve vodorovné rovině kolem podélné svislé osy závěsu. Realizace : vodorovná tyč se závažíčky na koncích, uprostřed zavěšená na pružném závěsu. Tyč se otáčí kolem závěsného bodu sem a tam. koště zavěsíme v jeho těžišti na provázek a poté koště (již zavěšené na provázku) vychýlíme z rovnovážné polohy tak, že ho otočíme kolem svislé osy provázku. Když pak koště pustíme, bude se kývat střídavě na jednu a na druhou stranu - bude konat torzní kmity.

Mechanický oscilátor - Lihýř (v překladu ze staročeštiny vahadlo) je setrvačná část regulátoru rychlosti otáčení soukolí mechanických hodin. Ve spojení s vratným krokem tvoří nedokonalý mechanický oscilátor, který hodinám zajišťuje relativně rovnoměrný chod. Lihýř sám o sobě oscilátor není, nemá vlastní direkční sílu. Doba kyvu soustavy závisí zejména na momentu setrvačnosti lihýře a na velikosti vnější budící a současně direkční síly (tahu závaží nebo hodinového péra). Kmitání je dosaženo střídáním směru působící síly. Lihýřové hodiny používaly vřetenový (nebo také lopatkový) krok, který se pak objevoval i u některých kyvadlových hodin. Vřetenový krok ve spojení s lihýřem tvoří dvě lopatky čili palety, umístěné na hřídeli lihýře tak, že jejich roviny svírají úhel 90° a zasahují do krokového (stoupacího) kola. Krokové kolo vřetenového kroku má boční ozubení zvláštního tvaru (korunové kolo). Jedna z lopatek do něho zasahuje na nejvyšším, druhá na nejnižším místě. Když jedna z lopatek propustí zub stoupacího kola, to se pootočí a narazí na druhou lopatku, čímž dodá lihýři impulz. Tento děj se pravidelně opakuje.

Mechanický oscilátor - Setrvačka lidově také nepokoj (z německého Unruh), je regulátor čili oscilátor přenosných mechanických hodin. Tvoří ji věnec na hřídeli (setrvačná hmota) a plochá spirálová pružinka čili vlásek, který dává setrvačce direkční sílu. Vlastní frekvence setrvačky bývá 1 Hz (budíky, chronometry), 2,5 Hz (náramkové hodinky) nebo i více u některých novějších konstrukcí. V hodinářství se udává místo toho počet rázů čili půlkyvů (tj. tiknutí); uvedeným hodnotám odpovídají 2, 5 nebo 10 a více rázů za sekundu. Regulační ručkou, která zkracuje účinnou délku vlásku, lze vlastní frekvenci v jistých mezích měnit a tak regulovat chod strojku.

Mechanický oscilátor - Struna je drát nebo vlákno, které slouží jako zdroj zvuku u strunných nástrojů, jako je například kytara, viola, harfa nebo klavír. napjatá struna, která kmitá kolem klidové polohy. Napneme-li se např. struna kytary, je možné zjistit velikost rychlosti zvuku v ve struně. Závisí na velikosti síly F, kterou je struna napínána, hustotě materiálu struny a průřezu S struny. Vzhledem k tomu, že struna délky l je upevněna na dvou koncích, platí . Pro frekvenci f platí vztah: Jiné frekvence, než ty, na které jsou struny nástroje naladěny, získá hudebník např. u kytary tak, že prsty levé ruky tlačí struny na hmatník, čímž zkracuje jejich délku.    

Mechanický oscilátor - Píšťala Je akustické zařízení, v níž kmitá sloupec vzduchu V některých hudebních nástrojích se namísto strun, naladěných na určité tóny, používají retní (obyčejně otevřené) nebo jazýčkové píšťaly. Jsou to trubice s kruhovým, čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem, ve kterých se vzduch uvádí do podélného chvění buď foukáním proti ostré hraně, která se nazývá ret, nebo chvěním pružného jazýčku.

Mechanický oscilátor - Zvon je samozvučný bicí nástroj kalichovitého tvaru, sloužící k signální funkci. Je tvořen tělem zvonu a srdcem, které je zavěšeno uprostřed těla zvonu a je pohyblivé (bicí součást zvonu). Velké zvony jsou odlévány zkušenými kovolijci, respektive zvonaři, ze zvláštní bronzové kovové slitiny tzv. zvonoviny. Bývají zdobeny nápisy a reliéfy a jsou zvukově naladěny na konkrétní tón. Malé zvony a zvonky mohou být vyráběny i z plechu lisováním či jinou vhodnou strojní technologií. Části zvonu: 1. hlava, 2. koruna, 3. čepec 4. rameno, 5. krk, 6. lem, 7. , 8. ústa, 9. srdce, 10. věnec

Mechanický oscilátor - Gong je hudební nástroj kovový bicí. Kromě hudebního vyžití slouží i při některých náboženských obřadech, jako zvukové znamení pro oddělení boxerských kol. Tímtéž slovem je označováno i zařízení tvořené kovovou tyčí, kterou rozezní elektro-mechanicky ovládaný úderník a jejíž vibrace snímá elektromagnetický snímač. Gong zpravidla obsahoval několik tyčí naladěných na různé tóny. Takovými zařízeními byly osazovány divadelní, filmové a koncertní sály. Jejich zvukem se svolávalo publikum před začátkem představení nebo při konci přestávky z bufetu. V nových či rekonstruovaných sálech plní tuto roli stejnojmenná elektronická zařízení, která jsou dnes instalována i do výtahů či vlaků. Zvuk elektromagnetického gongu využíval i rozhlas jako časové znamení - jeden úder vyznačil začátek hodiny. Československá televize používala elektromagnetický gong pro označení přestávky ve vysílání.