MEXANIK TEBRANISHLAR VA TO‘LQINLAR
Ma’ruza rejasi:
Tebranishlar xaqida umumiy ma’lumotlar. Garmonik tebranishlar va tebranma harakat
tenglamasi. Tebranma harakat qilayotgan jismning energiyasi. Matematik mayatnik. Fizik
mayatnik. Mayatniklarning qurilishda qo‘llanilishi. To‘lqinlar. Tebranma harakatning elastik
muhitdagi tarqalishi. Yassi va sferik to‘lqinlar tenglamalari. To‘lqinlarning interfrensiyasi va
diffraksiyasi. Turg‘un to‘lqinlar. Tovush to‘lqinlari. Ultratovush.
Ma’lum vaqtdan keyin qaytariladigan harakatlarga yoki jarayonlarga tebranishlar deb
ataladi. Bunga soat mayatnigini, musiqa asbobining torining titrashi, yurakning harakati misol
bo‘ladi. Tebranishlar ikkiga bo‘linadi: erkin va majburiy tebranishlar.
Biror tashqi kuch ta’sirida muvozanat vaziyatidan chiqarilganda va tashqi kuch ta’siri
to‘xtatilganda ham davom etadigan tebranma harakat erkin yoki xususiy tebrinishlar deyiladi.
Tashqi davriy o‘zgaruvchan kuchlar ta’sirida sodir bo‘ladigan tebranishlar majburiy
tebranishlar deyiladi.
Tebranma harakat quyidagi kattaliklar yordamida ifodalanadi:
Tebranma harakat qilayotgan jismning muvozanat vaziyatidan chetga chiqishi siljish deb,
siljishning maksimal qiymati esa siljish amplitudas deb ataladi.
Jismning bitta to‘liq tebranishi amalga oshishi uchun ketgan vaqtga tebranish davri(T ) deb
ataladi. Agar t vaqtda vomida jism N marta tebrangan bo‘lsa, uning davri:
N
T t
Vaqt birligi ichida tebranishlar soniga tebranish chastotasi ( ) deb ataladi:
T
t
N
1
ya’ni, chastota davrga teskari bo‘lgan kattalik.
Vaqt o‘tishi bilan amplitudasining moduli o‘zgarmas qoladigan tebranishga so‘nma
stebranishlar deb ataladi. Aksincha vaqt o‘tishi bilana mplitudasi kamayib boruvchi tebranishga
esa so‘nuvchi tebranishlar deyiladi.
Tebranayotga nnuqtaningistalgan vaqtdagi muvozanat holatidan qanchalik siljiganligini va
bu nuqta qaysi yo‘nalishda harakatlanayotganligini ifodalaydigan kattalik tebranishfazasi deb
ataladi.
2π sekund ichida ro‘y beradigan tebranishlar soniga teng bo‘ladigan kattalikka doiraviy
yoki siklik chastota ( ) deyiladi, ya’ni
2
2
Т
ifoda orqali aniqlanadi.
Tebranma harakatning eng sodda turi bu – garmonik tebranishdir. Agar tebranma harakatni
ifodalashlovchi biror fizik kattalik (masalan, muvozanat holatidan siljish masofasi, og‘ish
burchagi, tezligi) miqdori vaqt o‘tishi bilan sinus yoki kosinus qoidasi bo‘yicha o‘zgarsa, bunday
tebranishlarga garmonik tebranishlar deb ataladi1.
Garmonik tebranishlar qonuniyatlarini ko‘rish uchun prujinaga mahkamlangan
sharchaning tebranma harakatini tahlil qilaylik (3–rasm ). Sharchaga ta’sir qilayotgan elastiklik
kuchining x o‘qiga proektsiyasi
kx
Fx
ko‘rinishda yoziladi. Elastiklik kuchi ta’sirida
bo‘lgan sistema uchun Nyutonning ikkinchi qonuni
kx
max
yoki
kx
dt
m d x
2
2
(83)
1 Jasprit Singh: Modern Phyusics for Engineers 2014. Page [17]
ko‘rinishda yozish mumkin. Bunda, k - prujina bikrligi, m - prujinaga osilgan jism massasi.(83)
ifodagi
x
dt
d x
2
2
bilan belgilaymiz va undagi hadlarni bir tamonga o‘tkazamiz.
So‘ngra m ga bo‘lib,
m 2
k
(84)
belgilash kiritsak, quyidagicha bir o‘lchovli garmonik tebranishning differensial
3-Rasm.
tenglamasi hosil bo‘ladi2, ya’ni
0
2
x
x
(85)
U holda, ikkinchi tartibli bir jinsli differensial tenglamaning yechimi quyidagi ko‘rinishda
bo‘ladi:
)
sin(
0
t
A
x
yoki
)
cos(
0
t
A
x
(86)
2 Jasprit Singh: Modern Phyusics for Engineers 2014. Page [24]
bu yerda, A - siljishning maksimal qiymati – amplituda.
)
(
0
t
- tebranma
harakatningtebranish fazasi,
0
- boshlang‘ich faza, - esa tebranishning siklik chastotasi deb
ataladi.
Cho‘zilmas va vaznsiz ipga osilgan, massasi bir nuqtada mujassamlashgan va
faqat og‘irlik kuchi ta’sirida tebranma harakat qila oladigan sistemaga matematik
mayatnik deb ataladi.
Matematik mayatnik ipi vertikal vaziyatda bo‘lsa, sharchaga ta’sir etuvchi og‘irlik kuchi
( P
) ipning taranglik kuchi (T
) bilan muvozanatlashadi (5 – rasm). Lekin mayatnikni muvozanat
vaziyatidan biror burchakka og‘dirsak, sharchaning og‘irlik kuchi ( P
) va ipning taranglik
kuchi (T
) bir to‘g‘ri chiziqda yotmaydi. Natijada ularning teng ta’sir etuvchisi
T
P
F
bo‘ladi. Bu yerda, F
5-Rasm.
- ipga perpendikulyar yo‘nalga qaytaruvchi kuch. Mayatnik
mg sin
F
og‘irlik kuchining
tashkil etuvchisi ta’sirida tebrana boshlaydi. Kichik burchaklar uchun
sin
bo‘lgani uchun
yuqoridagi ifoda
mg
F
(87)
ko‘rinishga keladi. Bu kuch ta’sirida sharcha l radiusli aylana yoyi bo‘ylab muvozanat vaziyati
tomon harakatlanadi. Mayatnikning mazkur harakati aylanma harakat dinamikasining tenglamasi
M I
(88)
bilan ifodalanadi. Bunda I – sharchaning aylanish o‘qiga nisbatan inersiya momenti, – uning
burchak tezlanishi, M esa F
kuchning O o‘qqa nisbatan momenti bo‘lganligi tufayli
I ml2
,
2
2
dt
d
,
mg sin
M
formulalardan foydalanib (26.2) ni quyidagi ko‘rinishda yozish mumkin:
sin
2
2
2
mg
dt
ml d
yoki,
0
sin
2
2
l
g
dt
d
(89)
Agar burchakning kichik qiymatlariga mos keluvchi tebranishlarni tekshirish bilan cheklansak,
sin
ni bilan almashtirish mumkin. Natijada (89) ifoda
0
2
2
l
g
dt
d
ko‘rinishgakeladi. Bunda,
l 2
g
belgilashkiritsak,
0
2
2
2
dt
d
(90)
tenglama hosil bo‘ladi. Bu tenglamaning yechimi oldingi bo‘limda ko‘rganimizdek,
)
cos(
0
0
t
(26.5)
ko‘rinishda bo‘ladi. Demak, kichik amplitudali tebranishlar uchun matematik mayatnikning
og‘ish burchagi α vaqt bo‘yicha garmonik tarzda o‘zgarar ekan.
U holda,
T 2
danfoydalanib,matematik mayatnikning
tebranish davri uchun
g
l
T
2
2
(91)
ifodaga ega bo‘lamiz.
Demak, kichik og‘ishlarda matematik mayatnikning tebraniish davri mayatnik uzundigiga
va erkin tushish tezlanishiga bog‘liq bo‘lib, mayatnik tebranishlarining amplitudasiga hamda
sharchaning massasiga bog‘liq emas.
Fizik mayatnik deb, inertsiya markazidan o‘tmaydigan gorizontal qo‘zg‘almas aylanish
o‘qi atrofida og‘irlik kuchi ta’sirida harakatlana oladigan qattiq jismga aytiladi. Aylanish o‘qi
fizik mayatnikning osilish o‘qi deb ham ataldi.
6-Rasm.
Fizik mayatnikning inertsiya markazi (C) dan osilish o‘qiga o‘tkazilgan perpendikulyar (OC)
chiziq vertikal chiziq bilan mos tushgan holda mayatnik muvozanat vaziyatida bo‘ladi.
Muvozanat vaziyatidan biror burchakka og‘dirilganda (6- rasm) P
va T
kuchlarning teng ta’sir
etuvchisi–fizik mayatnikni muvozanat vaziyati tomon
qaytarishga intiluvchi F
kuch paydo bo‘ladi. Fizik mayatnikning harakati uchun aylanma harakat
dinamikasining asosiy tenglamasini quyidagi ko‘rinishda yoziladi:
sin
2
2
mgh
dt
I d
(92)
bunda, I – fizik mayatnikning osilish o‘qiga nisbatan inersiya momenti, m– fizik mayatnik
massasi, h esa fizik mayatnikning osilish o‘qi va inersiya markazi orasidagi masofa. Kichik
tebranishlar uchun
sin
ekanligini hisobga olsak, (92) ifoda quyidagi ko‘rinishga keladi:
0
2
2
I
mgh
dt
d
yoki,
0
2
2
2
dt
d
(93)
Oxirgi tenglamada
I
mgh
2
(94)
belgilash kiritamiz va fizik mayatnikning kichik og‘ishlaridagi tebranishlar–garmonik
tebranishlar bo‘lib, ularning tebranish davri
mgh
I
T
2
2
(95)
formula orqali aniqlanadi.
Endi, fizik mayatnikning tebranish davriga teng bo‘lgan davr bilan tebranadigan
matematik mayatnikning uzunligini topaylik. Buning uchun, matematik mayatnik tebranish
davrini fizik mayatnik tebranish davriga tenglashtiramiz:
mgh
I
g
l
2
2
Yuqoridagi ifodadan l ning qiymatini topamiz va uni
Kl deb belgilaymiz:
mh
I
lK
(96)
Yuqoridagi ifoda bilan aniqlanadigan
Kl uzunlik fizik mayatnikning keltirilgan uzunligi
deb ataladi. Unga quyidagicha ta’rif beriladi: fizik mayatnikning barcha massasini fikran bitta
nuqtaga to‘plab va bu moddiy nuqtani
Kl uzunlikdagi ipga osib vujudga keltirilgan matematik
mayatnikning tebranish davri mavjud fizik mayatnikning tebranish davriga teng bo‘ladi.
Xulosa qilib, matematik va fizik mayatniklar texnikaning turli sohalarida, xususan
soatsozlikda keng qo‘llaniladi. Ularning tebranish davri formulalari muhim ahamiyatga ega
bo‘lib, erkin tushish tezlanishini va murakkab jismlarning inertsiya momentlarini aniqlashda
muhim ahamiyat kasb etadi.
Moddiy nuqta bir vaqtda bir qancha garmonik tebranishlarda ishtirok eta oladi. Bunda
nuqtaning qandaydir vaqt momentidagi siljishi nuqtaning har bir tebranma harakatda alohida
ishtirok etib olgan siljishlarining geometrik (vektor) yig‘indisidan iborat bo‘ladi.
Faraz qilaylik, bir hil yo‘nalishda tarqalayotgan ikkita tebranish bir hil siklik chastota
bilan, ammo turlicha
01
va
02
boshlang‘ich fazalar bilan tebranishda qo‘shilayotgan bo‘lsin
(29.1 – rasm). U holda, garmonik tebranma harakat tenglamalari,
)
sin(
01
1
1
t
A
x
va
)
sin(
02
2
2
t
A
x
ko‘rinishda ifodalanadi. Bunda natijaviy siljish
2
1
x
x
x
, nataijaviy amplituda esa
2
1
A
A
A
ga teng bo‘ladi. Shunday qilib, natijaviy tebranishning tenglamasi quyidagi
ko‘rinishda bo‘ladi:
)
sin(
0
2
1
t
A
x
x
x
(29.1)
bu yerda, (7) – rasmga muvofiq boshlang‘ich faza esa,
2
2
1
1
2
2
1
1
0
cos
cos
sin
sin
A
A
A
A
tg
(29.2)
shakldagi trigonometrik ifoda orqali aniqlanadi. Natijaviy amplituda uchun kosinuslar
teoramasiga asosan
)
cos(
2
02
01
2
1
2
2
12
A A
A
A
A
(29.3)
ifoda hosil qilinadi.
Agarda, fazalar farqi
2
1
yoki
)1
(2
n
bo‘lsa, tebranishlar fazasi qarama –
qarshi bo‘ladi. U holda tebranishlarning natijaviy amplitudasi
2
1
A
A
A
(29.4)
ko‘rinishda bo‘ladi.
Agar fazalar farqi
0
2
1
yoki
2n
bo‘lsa, u holda tebranishlar fazalar bo‘yicha bir hil
bo‘ladi va natijaviy amplituda quyidagi ko‘rinishda ifodalanadi:
2
1
A
A
A
(29.5)
7 – Rasm.
Massasi m bo‘lgan moddiy nuqta elastik
kx
Fel
kuch ta’sirida garmonik tebranma
harakat qilayotgan bo‘lsin3. Harakatlanayotgan moddiy nuqta tezlikka ega bo‘lsa, moddiy
nuqtaning kinetik energiyasi
2
Ek m2
ifoda orqali aniqlanadi.
Garmonik tebranma harakat qilayotgan moddiy nuqtaning tezligi uchun
)
sin(
)
cos(
0
0
t
A
t
dt A
d
dt
dx
(97)
ifoda o‘rinli. Shuning uchun, kinetik energiya formulasi quyidagicha yoziladi:
)
sin (
2
1
0
2
2 2
t
A
m
Ek
(98)
Potensial energiyaning qiymati esa moddiy nuqtani muvozanat vaziyatidan x masofaga
siljitish uchun elastiklik kuchi (
F el
) ning bajargan ishi bilan aniqlanadi4:
)
cos (
2
1
2
1
0
2
2
2
0
0
t
kA
kx
kxdx
Fdx
E
x
x
p
(100)
(99) va (100) lardagi sinus va kosinusning maksimal qiymati 1 ga teng. Shuning uchun,
tebranma harakat qilayotgan moddiy nuqtaning kinetik va potensial energiyalarining
maksimal qiymatlari uchun quyidagi ifodalar o‘rinli:
2
2
2
1
A
m
Ek
(101)
2
2
Ep 1 kA
(102)
Moddiy nuqtaning tebranish jarayonida navbatma-navbat kinetik energiyaning potensial
energiyaga va aksincha, potensial energiyaning kinetik energiyaga aylanishi sodir bo‘ladi.
Mayatnik muvozanat vaziyatidan qaytayotganda tezlanuvchan harakat qiladi, bunda uning
potensial energiyasi kinetik energiyaga aylanadi. Muvozanat vaziyatidan o‘tayotganda
mayatnikning kinetik energiyasi maksimal qiymatga erishadi. Muvozanat vaziyatidan o‘tib
3 Jasprit Singh: Modern Phyusics for Engineers 2014. Page [12]
4 Jasprit Singh: Modern Phyusics for Engineers 2014. Page [290]
mayatnik ikkinchi tomonga og‘a boshlagach, uning kinetik energiyasi potensial energiyaga
aylana boshlaydi. Eng chetki og‘ish vaziyatida mayatnik potensial energiyasi maksimal qiymatga
erishadi, kinetik energiyasi esa nolga teng bo‘ladi.
Garmonik tebranma harakat qilayotgan moddiy nuqtaning harakat qilayotgan ixtiyoriy
vaziyatidagi to‘liq energiyasi kinetik va potensial energiyalar yig‘indisidan iborat:
)
cos (
2
1
)
sin (
2
1
0
2
2
0
2
2 2
t
kA
t
A
m
E
E
E
p
k
(103)
(103) ifodani
k m2
hisobga olib quyidagicha yozish mumkin:
2
2
1
k A
E
(104)
Shunday qilib, garmonik tebranishning to‘liq energiyasi o‘zgarmas va tebranish
amplitudasining kvadratiga to‘g‘ri proporsional ekan.
1-Rasm.
Moddiy nuqta bir vaqtda bir qancha garmonik tebranishlarda ishtirok eta oladi. Bunda
nuqtaning qandaydir vaqt momentidagi siljishi nuqtaning har bir tebranma harakatda alohida
ishtirok etib olgan siljishlarining geometrik (vektor) yig‘indisidan iborat bo‘ladi.
Faraz qilaylik, bir hil yo‘nalishda tarqalayotgan ikkita tebranish bir hil siklik chastota
bilan, ammo turlicha
01
va
02
boshlang‘ich fazalar bilan tebranishda qo‘shilayotgan bo‘lsin
(2– rasm). U holda, garmonik tebranma harakat tenglamalari,
)
sin(
01
1
1
t
A
x
va
)
sin(
02
2
2
t
A
x
ko‘rinishda ifodalanadi. Bunda natijaviy siljish
2
1
x
x
x
, nataijaviy amplituda esa
2
1
A
A
A
ga teng bo‘ladi. Shunday qilib, natijaviy tebranishning tenglamasi quyidagi
ko‘rinishda bo‘ladi:
)
sin(
0
2
1
t
A
x
x
x
(105)
bu yerda, (2) – rasmga muvofiq boshlang‘ich faza esa,
2
2
1
1
2
2
1
1
0
cos
cos
sin
sin
A
A
A
A
tg
(106)
2-Rasm.
shakldagi trigonometrik ifoda orqali aniqlanadi. Natijaviy amplituda uchun kosinuslar
teoramasiga asosan
)
cos(
2
02
01
2
1
2
2
12
A A
A
A
A
(107)
ifoda hosil qilinadi.
Agarda, fazalar farqi
2
1
yoki
)1
(2
n
bo‘lsa, tebranishlar fazasi qarama –
qarshi bo‘ladi. U holda tebranishlarning natijaviy amplitudasi
2
1
A
A
A
(108)
ko‘rinishda bo‘ladi.
Agar fazalar farqi
0
2
1
yoki
2n
bo‘lsa, u holda tebranishlar fazalar bo‘yicha bir
hil bo‘ladi va natijaviy amplituda quyidagi ko‘rinishda ifodalanadi:
2
1
A
A
A
(109)
Mexanik to‘lqin deb, mexanik tebranishlarning elastik muhitda tarqalish jarayoniga
aytiladi. To‘lqinlar tebranishlari va tarqalish yo‘nalishlariga qarab ikki turga bo‘linadi: bo‘ylama
va ko‘ndalang to‘lqinlar.
Agar muhit zarralarining tebranishi to‘lqin tarqalayotgan yo‘nalish bo‘yicha bo‘lsa,
bunday to‘lqinlar bo‘ylama to‘lqinlar deyiladi.
Bo‘ylama to‘lqin tezligi quyidagi formuladan aniqlanadi:
E
(110)
bu yerda, E –Yung moduli, - muhitning zichligi.
Agar muhit zarralarining tebranishi to‘lqin tarqalish yo‘nalishiga tik bo‘lsa, bunday to‘lqin
ko‘ndalang to‘lqin deyiladi va uning tarqalish tezligi quyidagi
formuladan topiladi5:
G
k
(111)
bunda, G – siljish moduli yoki siljish deformatsiyasini ifodalovchi kattalik.
Qattiq jismlardan tashqari suyuqlik va gaz siqilganda bosim ortadi, bu bosim kuchi siqilish
deformatsiyasidagi elastiklik kuchi vazifasini bajaradi. Shuning uchun, suyuqlik va gazlarda
faqat bo‘ylama to‘lqinlar tarqaladi. Ko‘ndalang to‘lqinlar esa, siljish deformatsiyasiga ega
bo‘lgan muhitda, ya’ni faqat qattiq jismlarda va ikki muhit chegarasida tarqala oladi.
5 Jasprit Singh: Modern Phyusics for Engineers 2014. Page [37-45]
Bo‘ylama to‘lqinlarga tovush to‘lqinlarini misol qilib olish mumkin. Ko‘ndalang
to‘lqinlarga esa suyuqlik sirtida, rezina shnur, tor va shu kabilar bo‘ylab tarqalgan to‘lqinlar misol
bo‘la oladi.
To‘lqin ifodalashistikalari: to‘lqin tarqalish yo‘nalishida ikkita ketma – ket bir xil fazada
tebranayotgan nuqtalar orasidagi masofa to‘lqin uzunligi deb ataladi.
T
bu yerda, - to‘lqinning tarqalish tezligi, T - tebranish davri, - tebranish chastotasi.
Birhil fazada tebranayotgan zarralarning geometrik o‘rniga to‘lqinsirti deb ataladi. To‘lqin
sirtlari turli shakllarda bo‘lishi mumkin. Eng sodda holda ular yassi va sferik sfera shaklda
bo‘ladi. Bu hollarda to‘lqinlar mos holda yassi va sferik to‘lqinlar deyiladi. Yassi to‘lqinda
to‘lqin sirtlari bir–biriga parallel bo‘lgan tekisliklarda, sferik to‘lqinda esa konsentrik sferalardan
iborat bo‘ladi.
Muhitda to‘lqin tarqalish yo‘nalishidagi ixtiyoriy zarraning o‘z muvozanat holatidan qaysi
tomonga va qanchaga uzoqlashganligini ko‘rsatuvchi tenglamaga
harakat tenglamasi deb ataladi. Faraz qilaylik, ox yo‘nalishda ko‘ndalang to‘lqin tarqalayotgan
bo‘lsin ( 3- rasm).
Muhitning M nuqtasidagi zarra “y”o‘qi bo‘yicha tebranayotgan bo‘lsin. Zarraning tebranishi
garmonik bo‘lsa, uning harakat tenglamasi
t
A
y
sin
ko‘rinishdaifodalanadi. Endi, tebranish markazidan (O zarradan) xmasofada turgan M zarani
harakatini ko‘raylik. Agar O zarra tvaqtdan buyon tebranayotgan bo‘lsa, M zarra
t
vaqt
3–Rasm.
davomida tebranadi. Bunda, -tebranishlarning Omarkazidan M zaragacha tarqalish vaqti.
Demak, M nuqtaning tebranish tenglamasi quyidagi ko‘rinishda bo‘ladi:
)
(
sin
t
A
y
bunda,
x
, - to‘lqin tarqalish tezligi. U holda, yuqoridagi ifodani hisobga olib,
)
(
sin
t
A
y
(112)
ko‘rinishga keladi.
(112) – ifoda vaqtning ixtiyoriy paytida muhitning ixtiyoriy nuqtasidagi zarrachani
siljiganligini
aniqlashga
imkon
beradi,
ya’ni
uni
“x”o‘qi
bo‘yicha
tarqalayotgan
yassito‘lqintenglamasi deb ataladi.
Birnecha tebranishlarning qo‘shilib bir–birini kuchaytirishi yoki susaytirishiga
interferensiya deb ataladi.
To‘lqinlar interferensiyasi uchun interferensiyalanuvchi tebranishlar umumiy manbaga
ega bo‘lishi kerak: ya’ni, chastotasi bir hil bo‘lishi va fazalar farqi o‘zgarmas bo‘lishi kerak.
Ikkita to‘lqinning interferensiyasini aniqlashda bizga ma’lum tebranishlarning qo‘shish
formulalaridan foydalanamiz. S1 vaS2 manbalardan tarqalayotgan ikkita kogorent to‘lqinning
siklik chastotasi bo‘lsin, u holda S1 vaS2 dan
1y va
2y masofada turgan R nuqtada quyidagi
ikkita tebranish qo‘shiladi (4–rasm ):
)
sin(
01
1
1
t
A
x
)
sin(
02
2
2
t
A
x