Oscillatie en periodieke beweging in de natuurkunde

Oscillatie verwijst naar de herhaalde heen en weer beweging van iets tussen twee posities of toestanden. Een oscillatie kan een periodieke beweging zijn die zichzelf herhaalt in een regelmatige cyclus, zoals een sinusgolf - een golf met voortdurende beweging zoals in de zijwaartse zwaai van een slinger, of de op en neer gaande beweging van een veer met een gewicht. Een oscillerende beweging treedt op rond een evenwichtspunt of gemiddelde waarde. Het is ook bekend als periodieke beweging.

Een enkele oscillatie is een volledige beweging, op en neer of van links naar rechts, gedurende een bepaalde periode.

oscillatoren

Een oscillator is een apparaat dat beweging rond een evenwichtspunt vertoont. In een slingerklok is er bij elke swing een verandering van potentiële energie naar kinetische energie. Bovenaan de schommel is potentiële energie maximaal, en die energie wordt omgezet in kinetische energie wanneer deze valt en naar de andere kant wordt teruggedreven. Nu weer bovenaan, is de kinetische energie tot nul gedaald en is de potentiële energie weer hoog, waardoor de terugslag wordt aangedreven. De frequentie van de swing wordt via versnellingen vertaald om de tijd te markeren. Een slinger verliest na verloop van tijd energie door wrijving als de klok niet door een veer wordt gecorrigeerd. Moderne uurwerken maken gebruik van de trillingen van kwarts en elektronische oscillatoren, in plaats van de beweging van pendels.

Oscillerende beweging

Een oscillerende beweging in een mechanisch systeem slingert van links naar rechts. Het kan worden vertaald in een roterende beweging (ronddraaiend in een cirkel) door een pin-en-slot. Roterende beweging kan op dezelfde manier worden gewijzigd in oscillerende beweging.

Oscillerende systemen

Een oscillerend systeem is een object dat heen en weer beweegt en na een bepaalde tijd herhaaldelijk terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat. Op het evenwichtspunt werken geen netto krachten op het object. Dit is het punt in de slingerschommel wanneer deze in een verticale positie staat. Een constante kracht of een herstellende kracht werkt op het object om de oscillerende beweging te produceren.

Variabelen van oscillatie

• Amplitude is de maximale verplaatsing vanaf het evenwichtspunt. Als een slinger een centimeter van het evenwichtspunt zwaait voordat hij aan zijn terugreis begint, is de oscillatieamplitude een centimeter.
• Periode is de tijd die nodig is voor een volledige rondreis door het object, terugkerend naar zijn oorspronkelijke positie. Als een slinger aan de rechterkant begint en het een seconde duurt om helemaal naar links te reizen en nog een seconde om naar rechts terug te keren, is de periode twee seconden. Periode wordt meestal gemeten in seconden.
• Frequentie is het aantal cycli per tijdseenheid. Frequentie is gelijk aan één gedeeld door de periode. Frequentie wordt gemeten in Hertz, of cycli per seconde.

Simpele harmonische beweging

De beweging van een eenvoudig harmonisch oscillerend systeem - wanneer de herstelkracht recht evenredig is met die van de verplaatsing en werkt in de richting tegengesteld aan die van verplaatsing - kan worden beschreven met behulp van sinus- en cosinusfuncties. Een voorbeeld is een gewicht dat aan een veer is bevestigd. Wanneer het gewicht in rust is, is het in evenwicht. Als het gewicht naar beneden wordt getrokken, is er een netto herstellende kracht op de massa (potentiële energie). Wanneer het wordt losgelaten, krijgt het momentum (kinetische energie) en blijft het voorbij het evenwichtspunt bewegen, waardoor het potentiële energie (herstellende kracht) verkrijgt die het weer in oscillatie zal brengen.

Bronnen en verder lezen

• Fitzpatrick, Richard. "Oscillations and Waves: An Introduction", 2e editie. Boca Raton: CRC Press, 2019. 
• Mittal, P.K. "Oscillaties, golven en akoestiek." New Delhi, India: I.K. International Publishing House, 2010.