ارتعاش

اِرْتِعاش [erteʾāš]، حرکت رفت و برگشت تناوبی ذرات جسم یا محیطی کشسان که به‌طور معمول، هر سیستم فیزیکی وقتی از حالت تعادل جابه‌جا شود، در پاسخ به نیرویی که می‌خواهد آن را به حالت تعادل بازگرداند، از خود نشان می‌دهد. ارتعاشها به دو دستۀ «آزاد» و «واداشته» تقسیم می‌شوند. ارتعاشهای آزاد هنگامی رخ می‌دهند که سیستمی به صورت موقت آشفته شود و سپس بدون ممانعت حرکت کند. نمونۀ کلاسیک این نوع ارتعاش وزنه‌ای آویخته از فنر است. در حالت تعادل این سیستم کمترین مقدار انرژی را دارد و وزنه در حال سکون است. اگر وزنه به سمت پایین کشیده، و سپس رها شود، پاسخ سیستم ارتعاش قائم خواهد بود.
ارتعاشهای فنر نوع ساده‌ای از ارتعاش است که «حرکت هماهنگِ ساده» خوانده می‌شود. حرکت هماهنگ ساده هنگامی رخ می‌دهد که آشفتگی وارد شده به سیستم با نیروی بازگرداننده‌ای دقیقاً متناسب با میزان این آشفتگی روبه‌رو شود. در مثال فنر، نیروی بازگرداننده همان کشش یا فشردگی موجود در فنر است که بنا بر قانون هوک، با جابه‌جایی فنر تناسب دارد. در حرکت هماهنگ ساده، نوسانهای تناوبی از نوع سینوسی‌اند.
بیشتر سیستمهایی که دچار آشفتگیهای کوچک می‌شوند، با وارد آوردن نوعی نیروی بازگرداننده، به آشفتگی واکنش نشان می‌دهند. در بیشتر موارد می‌توان این نیرو را با تقریبی خوب متناسب با میزان آشفتگی فرض کرد؛ از این‌رو، حرکت هماهنگ ساده در حالت حد که آشفتگیها کوچک‌اند، یکی از وجوه عام سیستمهای‌ارتعاشی است. یکی‌از ویژگیهای حرکت‌هماهنگ ساده آن است که دورۀ تناوب آن مستقل از دامنه است؛ به همین‌سبب، از چنین سیستمهایی برای تنظیم ساعتها استفاده می‌شود. برای نمونه، نوسان آونگ ــ اگر دامنۀ آن کوچک باشد ــ کم و بیش حرکت هماهنگ ساده است.
دیگر ویژگی عمومی ارتعاشهای آزاد میرایی آنها ست. همۀ سیستمهای ارتعاشی با نیروی اصطکاک مواجه‌اند که پیوسته انرژی ارتعاشهای آنها را کاهش می‌دهد و به‌طور معمول، سبب کم شدن طول دامنه به صورت نمایی می‌شود؛ از این‌رو، این ارتعاشات هیچ‌گاه دقیقاً سینوسی نخواهند بود. بنابراین، اگر آونگ در حال نوسان به حال خود بماند، سرانجام به حالت تعادل و سکون (کمترین مقدار انرژی) باز می گردد.
ارتعاشهای واداشته هنگامی رخ می‌دهند که سیستم به یاری نیرویی بیرونی، پیوسته به حرکت واداشته شود. نمونۀ سادۀ آن تاب بازی بچه‌ها ست که در آن، هربار کودک را هُل دهند. نوع جالب‌تر این حرکت هنگامی پدید می‌آید که به سیستم، ضمن حرکتِ هماهنگ ساده، نیروی واداشتۀ سینوسی وارد شود؛ چنین حالتی به پدیده‌ای مهم به نام تشدید می‌انجامد. تشدید هنگامی رخ می‌دهد که بسامد نیروی محرک به بسامد طبیعی ارتعاشهای آزاد سیستم نزدیک شود؛ درنتیجه، سیستم به سرعت انرژی به دست می‌آورد و به همراه آن، دامنۀ ارتعاشهایش به شدت افزایش می‌یابد. سرانجام، افزایش دامنه به سبب وجود میرایی محدود می‌شود، اما در عمل، مقدار آن می‌تواند بسیار زیاد شود. گفته می‌شود که رژۀ منظم سربازان روی پُل می‌تواند موجب پدید آمدن ارتعاشهای تشدید شده‌ای شود که برای ویران کردن پل کافی است. همچنین بنابر باوری عامیانه، صدای خوانندگان اُپرا می‌تواند موجب شکستن لیوانها شود.
ارتعاشهای الکتریکی در دانش الکترونیک نقش مهمی بازی می‌کنند. مداری که هم سیم‌پیچ، و هم خازن داشته باشد، می‌تواند جریانی الکتریکی را معادل یک حرکت هماهنگ ساده به صورت سینوسی برقرار سازد. در این حالت، تشدید هنگامی رخ می‌دهد که مدار توسط جریانی متناوب که بسامدش با بسامد طبیعی نوسانهای مدار مطابقت داشته باشد، به نوسان واداشته شود. از این مطلب در تنظیم بسامد استفاده می‌شود. برای نمونه، گیرندۀ رادیویی دارای مداری است که بسامد طبیعی آن می‌تواند تغییر داده شود. هنگامی که بسامد این مدار با بسامد فرستندۀ رادیویی هماهنگ شود، پدیدۀ تشدید رخ می‌دهد و جریان متناوب نیرومندی با همان بسامد در مدار برقرار می‌گردد. به همین ترتیب، مدارهای تشدیدی (بازآوا) می‌توانند برای یافتن یک بسامد از میان مخلوطی از بسامدها به کار روند. در سازهای موسیقی، لرزش و جابه‌جایی سیمها، پوسته‌ها، و هوای درون لوله‌های صوتی، از برهم‌نهشی از حرکتهای هماهنگ ساده تشکیل می‌شوند. ارتعاشها در سازه‌های مهندسی نیز از ویژگیهای عادی و معمولاً نامطلوب‌اند. در بسیاری از موارد، حرکتهای تناوبی پیچیده می‌توانند به صورت برهم‌نهشی از حرکتهای هماهنگ ساده، ولی با بسامدهای متفاوت، شناخته و درک شوند.     (102)