W życiu codziennym spotykamy się z różnymi rodzajami ruchów wykazywanych przez różne ciała. W fizyce ruch translatoryczny to rodzaj ruchu, w którym ciało przemieszcza się z jednego miejsca do drugiego w odniesieniu do czasu. Weźmy na przykład lot samolotem, poruszający się pociąg lub poruszającą się piłkę – to wszystko są przykłady ruchu translacyjnego. Następnie mamy ruch oscylacyjny, w którym ciało powtarza ten sam ruch w kółko. Przykładami ruchu oscylacyjnego są zegar, widelec stroikowy, ruch huśtawki itp. Oscylacje i fale są wplecione w mnóstwo zjawisk, których doświadczamy każdego dnia.

Oscylacje lub drgania są swobodne, jeśli po początkowym pobudzeniu układ oscyluje pod wpływem własnych sił wewnętrznych, ale bez udziału sił zewnętrznych. Z drugiej strony, jeśli siła zewnętrzna nadal podtrzymuje oscylacje układu, mówi się, że drgania są wymuszone. Siła zewnętrzna nazywana jest tu siłą napędową. Tak więc, ciało wykonuje drgania swobodne, gdy oscyluje bez wpływu siły zewnętrznej, natomiast gdy swobodnie oscylujący system jest poddany działaniu siły zewnętrznej, wpływając w ten sposób na jego oscylacje, zaczyna wytwarzać drgania wymuszone (lub oscylacje). Przyjrzyjmy się kilku kluczowym różnicom pomiędzy oscylacjami swobodnymi a wymuszonymi.

Co to są oscylacje swobodne?

Weźmy za przykład widelec strojny. Kiedy uderzamy w widelec stroikowy, zaczyna on przez pewien czas wibrować z ustaloną częstotliwością. Oznacza to, że znajduje się on w swobodnej oscylacji, ponieważ drga z częstotliwością naturalną, a widelec działa tutaj jako swobodny oscylator. Jeśli więc oscylator jest ustawiony tak, by drgał z częstotliwością naturalną bez działającej na niego siły zewnętrznej, to określa się go jako oscylator swobodny. Drgania swobodne są wtedy, gdy po początkowym wzbudzeniu układ wprawia podmiot w drgania pod wpływem jego własnych sił wewnętrznych bez przyłożenia do niego jakichkolwiek sił zewnętrznych. Mówi się wtedy, że podmiot znajduje się w oscylacji swobodnej. Bez żadnej siły zewnętrznej mówi się, że oscylator swobodny ma stałą amplitudę i okres. W idealnej sytuacji oscylator swobodny nie ulega tłumieniu, chyba że do oscylacji swobodnej przyłożony zostanie opór.

Czym są wymuszone oscylacje?

Weźmy przykład huśtawki. Kiedy popchniesz huśtawkę tylko raz, działa ona jak wolny oscylator, który oscyluje z własną częstotliwością naturalną bez zakłóceń ze strony jakiejkolwiek siły zewnętrznej. Jednak w końcu przestanie się kołysać. Jeśli jednak popchniesz huśtawkę za każdym razem, gdy zaczyna zwalniać lub osiąga pewien punkt, działa ona jak oscylator wymuszony i będzie się nadal kołysać, ponieważ jest poddawana działaniu zewnętrznej siły. Zatem podmiot poddaje się sile zewnętrznej i oscyluje ze stałą amplitudą i z częstotliwością siły. Jego oscylacje nazywane są wówczas oscylacjami wymuszonymi. W sensie technicznym oscylacje wymuszone można zdefiniować jako oscylacje, w których ciało pod wpływem zewnętrznej siły okresowej oscyluje z częstotliwością inną niż jego częstotliwość naturalna.

Różnica między oscylacjami swobodnymi a wymuszonymi

Definicja oscylacji swobodnych Vs. Wymuszone oscylacje

– Oscylacje swobodne to oscylacje wykonywane przez podmiot bez oddziaływania siły zewnętrznej. Występują one dzięki siłom sprężystości i bezwładności układu. Mówi się, że bez żadnej siły zewnętrznej oscylator swobodny ma stałą amplitudę i okres. Natomiast oscylacje wymuszone można zdefiniować jako oscylacje, w których ciało pod wpływem zewnętrznej siły okresowej oscyluje z częstotliwością inną niż jego częstotliwość drgań własnych. Siła zewnętrzna nazywana jest tutaj siłą napędową.

Przykład oscylacji swobodnych i wymuszonych

– Weźmy przykład huśtawki na placu zabaw. Gdy raz popchniemy huśtawkę, oscyluje ona z własną częstotliwością drgań własnych, bez żadnych zakłóceń ze strony sił zewnętrznych, a więc działa jak oscylator swobodny. Jeśli jednak popchniesz huśtawkę za każdym razem, gdy zacznie zwalniać lub osiągnie pewien punkt, będzie się nadal huśtać, ponieważ teraz podlega zewnętrznej sile, więc działa jak oscylator wymuszony. Inne przykłady swobodnych oscylacji to widelec strojny, wahadło itp.

Podsumowanie oscylacji swobodnych Vs. Wymuszone oscylacje

W skrócie, oscylacje swobodne to oscylacje, w których ciało lub system oscyluje z własną częstotliwością naturalną bez oddziaływania siły zewnętrznej. Przeciwnie, oscylacje wymuszone to oscylacje, w których ciało oscyluje z częstotliwością inną niż jego częstotliwość naturalna pod wpływem zewnętrznej siły okresowej. Oscylacje swobodne zmniejszają się stopniowo dzięki siłom oporu zwanym siłami tłumiącymi, natomiast oscylacje wymuszone utrzymują się tak długo, jak długo na ciało działa siła zewnętrzna.