Εξαναγκασμένες ταλαντώσεις

Αν σε ένα σώμα που κάνει ταλάντωση υπάρχει μια εξωτερική δύναμη (εκτός από τη δύναμη επαναφοράς), τότε ο μηχανισμός που ασκεί τη δύναμη λέγεται «εξωτερικός διεγέρτης».

Η ταλάντωση με την επίδραση ενός εξωτερικού διεγέρτη λέγεται «εξαναγκασμένη ταλάντωση».

Ο εξωτερικός διεγέρτης «προσπαθεί» να παρέχει ενέργεια στο σώμα που κάνει ταλάντωση. Αυτό δεν είναι πάντα εφικτό γιατί θα πρέπει η παρεχόμενη ενέργεια να δίνεται στο σώμα με τέτοιο τρόπο ώστε να ευνοείται η ταλάντωση και όχι να εμποδίζεται από την εξωτερική αυτή δύναμη.

Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό αν ένας άνθρωπος προσπαθεί να σπρώχνει μια κούνια συνεχώς ώστε αυτή να μη σταματήσει. Η κούνια μόνη της εκτελεί ταλάντωση σαν ένα εκκρεμές με απόσβεση. Η ταλάντωσή της, όταν είναι ελεύθερη, γίνεται με περίοδο που εξαρτάται από το μήκος της και την επιτάχυνση της βαρύτητας. Η περίοδος αυτή (του εκκρεμούς) λέγεται «ιδιοπερίοδος». Ένα σώμα λοιπόν κάνει ελεύθερη ταλάντωση με ιδιοπερίοδο Το και ιδιοσυχνότητα fο που είναι προκαθορισμένες από τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Όταν όμως ένας εξωτερικός διεγέρτης επιδρά στην κίνηση, τότε το σύστημα στην εξαναγκασμένη αυτή ταλάντωση, είναι υποχρεωμένο να κινείται όχι με την ιδιοπερίοδό του, αλλά με τον τρόπο που του επιβάλλει η δύναμη του διεγέρτη. Στην περίπτωση της κούνιας, ο άνθρωπος που σπρώχνει την κούνια παρέχει ενέργεια σ αυτήν και είτε ευνοεί την κίνησή της σπρώχνοντας «τη σωστή στιγμή», είτε την δυσκολεύει σπρώχνοντας λίγο νωρίτερα.

Οι εξαναγκασμένες ταλαντώσεις είναι γενικά πολύπλοκες και η λύση τους εξαρτάται από τη μορφή της εξωτερικής δύναμης. Η πιο απλή περίπτωση δύναμης εξωτερικού διεγέρτη είναι μια περιοδική δύναμη της μορφής Fδιεγέρτη=Fmaxsin(ωt). Η συνισταμένη δύναμη θα είναι το αποτέλεσμα της δύναμης επαναφοράς της ταλάντωσης, της περιοδικής δύναμης του διεγέρτη και πιθανώς της απόσβεσης λόγω τριβών (αν υπάρχει και απόσβεση): ma=-Dx+Fδιεγέρτη+Fαπόσβεσης=-Dx+Fmaxsin(ωt)-bυ. Λύνοντας την παραπάνω διαφορική εξίσωση προκύπτει ότι το πλάτος εξαρτάται από την μέγιστη τιμή της δύναμης Fmax, αλλά και από την διαφορά της «φυσικής» κυκλικής συχνότητας του συστήματος ωο και της κυκλικής συχνότητας της δύναμης ω.

Γενικά, όταν η δύναμη του διεγέρτη έχει κυκλική συχνότητα ω πολύ διαφορετική (μεγαλύτερη ή μικρότερη) από την ωο με την οποία θα έκανε τις ελεύθερες ταλαντώσεις το σύστημα, τότε το σώμα ταλαντώνεται με την ω, αλλά το πλάτος των ταλαντώσεων είναι μικρό. Αν η κυκλική συχνότητα ω της δύναμης γίνει ίση με την ωο τότε το πλάτος γίνεται μέγιστο. Αυτό συμβαίνει γιατί έχουμε συντονισμό και η ενέργεια της δύναμης παρέχεται «με τον καλύτερο τρόπο» στο σώμα που ταλαντώνεται.

Για να πετύχουμε λοιπόν να σπρώχνουμε μια κούνια κι αυτή να κάνει μεγάλη ταλάντωση, πρέπει να περιμένουμε να την σπρώξουμε ΑΚΡΙΒΩΣ την κατάλληλη στιγμή, δηλαδή όταν βρίσκεται στην ακραία θέση. Και μάλιστα θα πρέπει να περάσει ακριβώς μια ιδιοπερίοδος μέχρι να την ξανασπρώξουμε. Προσπαθούμε έτσι να συντονίσουμε τη δύναμή μας με την κίνηση της κούνιας, ώστε να πετύχουμε συντονισμό της κούνιας με μας.

Στην περίπτωση που δεν έχουμε αποσβέσεις, το σύστημα σε μια εξαναγκασμένη ταλάντωση με συντονισμό παίρνει συνεχώς ενέργεια και το πλάτος θεωρητικώς γίνεται άπειρο (δηλαδή η κούνια θα φτάσει να κάνει ανακύκλωση!). Στην πραγματικότητα όμως πάντα έχουμε αποσβέσεις λόγω διαφόρων τριβών, και το πλάτος γίνεται μέγιστο στο συντονισμό, αλλά όχι άπειρο. Μάλιστα στον συντονισμό με απόσβεση, η συχνότητα που πρέπει να πετύχουμε ώστε να έχουμε αυτό το μέγιστο πλάτος, δεν συμπίπτει με την τιμή ωο, αλλά όσο μεγαλύτερη είναι η απόσβεση τόσο μικρότερη γίνεται η κυκλική συχνότητα στην οποία επιτυγχάνεται ο συντονισμός.

Μια καταστρεπτική περίπτωση συντονισμού είναι η περίπτωση της κατάρρευσης ενός κτηρίου (ταλαντωτή) εξαιτίας ενός σεισμού (διεγέρτη). Αν το κτήριο συντονιστεί με το σεισμό, τότε οι ταλαντώσεις του αποκτούν μεγάλο πλάτος. Επειδή όμως έχει περιορισμένη ελαστικότητα δεν αντέχει και καταρρέει. Το ίδιο συμβαίνει και με κάποιες κρεμαστές γέφυρες με διεγέρτη τον αέρα ή τους ανθρώπους που βαδίζουν πάνω σ αυτές.
Το τράνταγμα των αυτοκινήτων μπορεί να προκαλέσει συντονισμό στα ελατήριά τους και λόγω του μεγάλου πλάτους των ταλαντώσεών τους να χαθεί ο έλεγχος. Γι αυτό οι ταλαντώσεις από τις ανωμαλίες του δρόμου πρέπει να «σβήνουν» γρήγορα και γι αυτό στα αυτοκίνητα υπάρχουν τα αμορτισέρ.

Σε οχήματα που επιβαίνουν άνθρωποι, ο συντονισμός εξαιτίας των τρανταγμάτων μπορεί να είναι δυσάρεστος. Μάλιστα ο άνθρωπος έχει αποδεδειγμένα δυσφορεί και αισθάνεται άσχημα όταν το σώμα του κάνει ταλαντώσεις χαμηλών συχνοτήτων. Γι αυτό συμβαίνει αρκετές φορές να ζαλίζεται κάποιος όταν ταξιδεύει απλά και μόνο από την κίνηση του αμαξώματος λόγων των ταλαντώσεων της μηχανής. Σ αυτήν την περίπτωση η μηχανή είναι ο διεγέρτης και το αμάξωμα μαζί με τον άνθρωπο είναι το σύστημα που εκτελεί εξαναγκασμένη ταλάντωση. Το ίδιο συμβαίνει πάνω σε μια βάρκα με διεγέρτη τα κύματα.

Ο συντονισμός όμως μπορεί να λειτουργήσει θετικά σε κάποιες περιπτώσεις όπως στην λιθοτριψία. Για παράδειγμα κάποιες πέτρες στα νεφρά μπορεί ένας γιατρός να τις σπάσει χωρίς εγχείρηση του ασθενούς, απλά προκαλώντας ταλαντώσεις μεγάλου πλάτους σ αυτές, με τη χρήση υπερήχων ως διεγέρτη.

Γεωγραφία: Χάρτες, Οι ήπειροι, Το περιβάλλον, Οι άνθρωποι
Φυσική: Μηχανική, Ηλεκτρισμός, Ρευστά, Οπτική, Ατομική Φυσική

Χημεία: Οργανική Χημεία, Ανόργανη Χημεία, Οξέα, Βάσεις, Άλατα
Βιολογία: Κύτταρο