Свободные колебания грузика на пружинке — самый известный пример колебаний. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Колебание, в широком смысле, — это регулярное увеличение и уменьшение какой-то величины. Оно может быть строго периодическим, т. е. четко повторяющимся через строго определенный промежуток времени, который называется периодом, а может быть — лишь приблизительно периодическим. И то, и другое — это всё равно колебания. Конечно, слово «колебание» в повседневной жизни может относиться к самых разным явлениям (колебания курсов валют, сезонные колебания цен, колебания настроения), но здесь мы будем говорить только про колебания физических систем и их характеристик.
Колебания могут происходить под действием внешних воздействий (вынужденные колебания) или самопроизвольно (свободные колебания). Первый вариант не слишком интересен: темп колебаний задает периодическое внешнее воздействие, а система послушно следуем за ним. Во втором случае всё гораздо любопытнее. Внешнее воздействие — например, одиночный удар — может запустить колебание, а уж дальше оно продолжается самостоятельно, причем с периодом, который задает сама система. Вот это очень важное свойство, настолько важное, что мы вынесем его отдельно:
| период свободных колебаний может рассказать очень многое об устройстве системы и о законах, управляющих ее движением. |
Работает этот закон повсеместно, от галактических масштабов и до микромира, и именно по этой причине физиков так интересуют периодические явления. Так что когда мы будем говорить про колебания, мы будем иметь в виду именно свободные колебания системы. Зависимость периодически колеблющейся величины от времени для трех видов колебания одинаковой частоты и одинаковой амплитуды, но разной формы. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Периодичность колебания можно охарактеризовать периодом T, а можно — частотой колебания, то есть величиной, обратной периоду: f = 1/T. Измеряется частота в герцах: 1 Гц = 1 с−1. Например, частота 1 мГц (миллигерц) соответствует периоду 1000 секунд, 5 ГГц (гигагерц) — периоду 200 пс (пикосекунд). Эти величины можно использовать для колебаний любого профиля — пилообразного, ступенчатого и т. д.
Гармонические колебания и их период Опорные числа