Фаза колебаний

Графики двух периодических функций (колебаний) одинаковой частоты задержаны (сдвинуты) один относительно другого. Задержка во времени эквивалентна соответствующей разности фаз.

Фа́за колеба́ний полная — аргумент периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс.

Фаза колебаний начальная — значение фазы колебаний (полной) в начальный момент времени, т.е. при t = 0 (для колебательного процесса), а также в начальный момент времени в начале системы координат, т.е. при t = 0 в точке (x, y, z) = 0 (для волнового процесса).

Фаза колебания (в электротехнике) — аргумент синусоидальной функции (напряжения, тока), отсчитываемый от точки перехода значения через нуль к положительному значению.

Как правило, о фазе говорят применительно к гармоническим колебаниям или монохроматическим волнам. При описании величины, испытывающей гармонические колебания, используется, например, одно из выражений:

$A\cos(\omega t+\varphi _{0})$$A\cos(\omega t+\varphi _{0})$,

$A\sin(\omega t+\varphi _{0})$$A\sin(\omega t+\varphi _{0})$,

$Ae^{i(\omega t+\varphi _{0})}$$Ae^{{i(\omega t+\varphi _{0})}}$.

Аналогично, при описании волны, распространяющейся в одномерном пространстве, например, используются выражения вида:

$A\cos(kx-\omega t+\varphi _{0})$$A\cos(kx-\omega t+\varphi _{0})$,

$A\sin(kx-\omega t+\varphi _{0})$$A\sin(kx-\omega t+\varphi _{0})$,

$Ae^{i(kx-\omega t+\varphi _{0})}$$Ae^{{i(kx-\omega t+\varphi _{0})}}$,

для волны в пространстве любой размерности (например, в трехмерном пространстве):

$A\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})$$A\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})$,

$A\sin(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})$$A\sin(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})$,

$Ae^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})}$$Ae^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})}$.

Фаза колебаний (полная) в этих выражениях — аргумент функции, т.е. выражение, записанное в скобках; фаза колебаний начальная — величина φ₀, являющаяся одним из слагаемых полной фазы. Говоря о полной фазе, слово полная часто опускают.

Поскольку функции sin(…) и cos(…) совпадают друг с другом при сдвиге аргумента (то есть фазы) на $\pi /2,$$\pi /2,$ то во избежание путаницы лучше пользоваться для определения фазы только одной из этих двух функций, а не той и другой одновременно. По обычному соглашению фазой считают аргумент косинуса, а не синуса.

То есть, для колебательного процесса (см. выше) фаза (полная)

$\varphi =\omega t+\varphi _{0}$$\varphi =\omega t+\varphi _{0}$,

для волны в одномерном пространстве

$\varphi =kx-\omega t+\varphi _{0}$$\varphi =kx-\omega t+\varphi _{0}$,

для волны в трехмерном пространстве или пространстве любой другой размерности:

$\varphi =\mathbf {k} \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0}$$\varphi =\mathbf {k} \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0}$,

где $\omega$$\omega$ — угловая частота (величина, показывающая, на сколько радиан или градусов изменится фаза за 1 с; чем величина выше, тем быстрее растет фаза с течением времени); t— время; $\varphi _{0}$$\varphi _{0}$ — начальная фаза (то есть фаза при t = 0); k — волновое число; x — координата точки наблюдения волнового процесса в одномерном пространстве; k — волновой вектор; r — радиус-вектор точки в пространстве (набор координат, например, декартовых).

В приведенных выше выражениях фаза имеет размерность угловых единиц (радианы, градусы). Фазу колебательного процесса по аналогии с механическим вращательным также выражают в циклах, то есть долях периода повторяющегося процесса:

1 цикл = 2$\pi$$\pi$ радиан = 360 градусов.

В аналитических выражениях (в формулах) преимущественно (и по умолчанию) используется представление фазы в радианах, представление в градусах также встречается достаточно часто (по-видимому, как предельно явное и не приводящее к путанице, поскольку знак градуса не принято никогда опускать ни в устной речи, ни в записях). Указание фазы в циклах или периодах (за исключением словесных формулировок) в технике сравнительно редко.

Иногда (в квазиклассическом приближении, где используются квазимонохроматические волны, т.е. близкие к монохроматическим, но не строго монохроматические) а также в формализме интеграла по траекториям, где волны могут быть и далекими от монохроматических, хотя всё же подобны монохроматическим) рассматривается фаза, являющаяся нелинейной функцией времени t и пространственных координат r, в принципе — произвольная функция:

$\varphi =\varphi (\mathbf {r} ,t).$$\varphi =\varphi (\mathbf {r} ,t).$

Связанные термины

Рассматривая два колебательных процесса одинаковой частоты, говорят о постоянной разности полных фаз (о сдвиге фаз) этих процессов. В общем случае сдвиг фаз может меняться во времени, например, из-за угловой модуляции одного или обоих процессов.

Если два колебательных процесса происходят одновременно (например, колеблющиеся величины достигают максимума в один и тот же момент времени), то говорят, что они находятся в фазе (колебания синфазны). Если моменты максимума одного колебания совпадают с моментами минимума другого колебания, то говорят, что колебания находятся в противофазе (колебания противофазны). Если разность фаз составляет ±90°, то говорят, что колебания находятся в квадратуре или что одно из этих колебаний — квадратурное по отношению к другому колебанию (опорному, "синфазному", т.е. служащему для условного определения начальной фазы).

Если амплитуды двух противофазных монохроматических колебательных процессов одинаковы, то при сложении таких колебаний (при их интерференции) в линейной среде происходит взаимное уничтожение колебательных процессов.

Действие

Одна из наиболее фундаментальных физических величин, на которой построено современное описание практически любой достаточно фундаментальной физической системы — действие — по своему смыслу является фазой.