ทำไมนักวิทยาศาสตร์เลือกที่จะไปกับคลื่นไซน์เพื่อเป็นตัวแทนของกระแสสลับและไม่ใช่รูปคลื่นอื่น ๆ เช่นรูปสามเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม
ไซน์มีประโยชน์อย่างไรเหนือคลื่นรูปแบบอื่น ๆ ที่แสดงถึงกระแสและแรงดันไฟฟ้า?
ทำไมนักวิทยาศาสตร์เลือกที่จะไปกับคลื่นไซน์เพื่อเป็นตัวแทนของกระแสสลับและไม่ใช่รูปคลื่นอื่น ๆ เช่นรูปสามเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม
ไซน์มีประโยชน์อย่างไรเหนือคลื่นรูปแบบอื่น ๆ ที่แสดงถึงกระแสและแรงดันไฟฟ้า?
คำตอบ:
การเคลื่อนที่แบบวงกลมสร้างคลื่นไซน์ตามธรรมชาติ: -
มันเป็นเรื่องธรรมดาและพื้นฐานมากที่ต้องทำและพยายามสร้างรูปคลื่นที่แตกต่างมีความซับซ้อนมากขึ้นหรือนำไปสู่ผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์
การเคลื่อนไหวขึ้นและลง (ตามธรรมชาติ) สร้างคลื่นไซน์เทียบกับเวลา: -
โดยทั่วไปจะไม่มีการคงรูปคลื่นรูปแบบอื่นไว้เนื่องจากการตอบสนองจะแตกต่างกันไปตามความถี่อินพุตที่แตกต่างกันดังนั้นหากคุณแยกส่วนประกอบบางส่วนออกเป็นองค์ประกอบ sinoidal ที่มีความถี่ไม่ซ้ำกันให้ตรวจสอบการตอบสนองของแต่ละเครือข่าย ผลลัพธ์โดยทั่วไปจะไม่ได้มีความสัมพันธ์แบบเดียวกันระหว่างองค์ประกอบของ sinoidal เหมือนเดิม
ดังนั้นการวิเคราะห์ฟูริเยร์จึงค่อนข้างสำคัญ: เครือข่ายแบบพาสซีฟตอบสนองต่อสัญญาณ sinoidal ตรงไปตรงมาดังนั้นการแยกย่อยทุกอย่างออกเป็น sinoids และด้านหลังเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวิเคราะห์วงจร
สิ่งต่าง ๆ สั่นไหวตามไซน์และโคไซน์ เครื่องกลไฟฟ้าเสียงคุณชื่อมัน แขวนมวลในฤดูใบไม้ผลิและมันจะเด้งขึ้นและลงที่ความถี่เรโซแนนท์ตามฟังก์ชั่นไซน์ วงจร LC จะทำงานในลักษณะเดียวกันเพียงแค่กระแสและแรงดันแทนความเร็วและแรง
คลื่นประกอบด้วยองค์ประกอบความถี่เดียวและรูปคลื่นอื่น ๆ สามารถสร้างขึ้นจากการเพิ่มหลายคลื่นที่แตกต่างกัน คุณสามารถดูส่วนประกอบความถี่ในสัญญาณโดยดูจากเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม เนื่องจากเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมกวาดฟิลเตอร์แบบแคบ ๆ ในช่วงความถี่ที่คุณกำลังดูคุณจะเห็นจุดสูงสุดในแต่ละความถี่ที่สัญญาณมี สำหรับ sinewave คุณจะเห็นจุดสูงสุด 1 จุด สำหรับคลื่นสี่เหลี่ยมคุณจะเห็นยอดเขา af, 3f, 5f, 7f เป็นต้น
ไซน์และโคไซน์เป็นโครงของสิ่งที่หมุน ยกตัวอย่างเช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC หมุนแม่เหล็กรอบ ๆ ถัดจากขดลวด ในขณะที่แม่เหล็กหมุนสนามแม่เหล็กที่หมุนไปตามขดลวดเนื่องจากแม่เหล็กจะแตกต่างกันไปตามไซน์ของมุมเพลาทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าข้ามขดลวดที่เป็นสัดส่วนกับฟังก์ชันไซน์
จากความรู้สึกทางคณิตศาสตร์และทางกายภาพที่มากขึ้นว่าทำไมไซน์และโคไซน์จึงเป็นพื้นฐานของคลื่นสามารถมีรากของมันในทฤษฎีบทพีทาโกรัส
ทฤษฎีบทพีทาโกรัสให้อัญมณีนี้กับไซน์และโคไซน์:
สิ่งนี้ทำให้ไซน์และโคไซน์ยกเลิกซึ่งกันและกันในกฎผกผันสแควร์ที่กระจายไปทั่วในโลกฟิสิกส์ทั้งหมด
และด้วยแคลคูลัสเรามีสิ่งนี้:
นี่หมายความว่ารูปแบบของการดำเนินการแคลคูลัสจะรักษาไซน์และโคไซน์หากมีหนึ่งในนั้น
ตัวอย่างเช่นเมื่อเราแก้ไขตำแหน่งของวัตถุในกฎของฮุค (รูปแบบที่คล้ายกันทุกที่) เรามีสิ่งนี้:
+0.(9)
; นอกจากนี้ IMO เป็นเรื่องที่น่าสังเกตว่าการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ส่วนใหญ่ที่ใช้กันทั่วไป (สมการคลื่นสมการสตริงสมการของไหล) จำเป็นต้องมีการx=e^(lambda*t)
ทดแทนซึ่งภายหลังสร้างวิธีแก้ปัญหาที่สามารถสร้างเป็นx = A*sin(lambda*t) + B*cos(lambda*t)
แบบฟอร์มบังคับให้มีการขยายไซน์ / โคไซน์ ของสมการดังกล่าว
นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้เลือกคลื่นไซน์นั่นคือสิ่งที่พวกเขาได้รับจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับคลื่นไซน์ถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของใบพัดภายในสนามแม่เหล็ก ไม่มีวิธีง่ายๆในการทำอย่างอื่น ดูรูปนี้ใน Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Single-phase_generator#Revolving_armature
คลื่นไซน์มีเพียงความถี่เดียว คลื่นสี่เหลี่ยมหรือสามเหลี่ยมเป็นผลรวมของคลื่นไซน์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งเป็นเสียงประสานของความถี่พื้นฐาน
อนุพันธ์ของคลื่นสี่เหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ (ไม่มีเวลาเพิ่มขึ้น / ตก) เป็นอนันต์เมื่อเปลี่ยนแปลงจากต่ำไปสูงหรือกลับกัน อนุพันธ์ของคลื่นสามเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบนั้นไม่มีที่สิ้นสุดที่ด้านบนและด้านล่าง
สิ่งหนึ่งที่เป็นผลมาจากการปฏิบัติเช่นนี้คือการถ่ายโอนสัญญาณสี่เหลี่ยม / สามเหลี่ยมทำได้ยากกว่าพูดผ่านสายเคเบิลเปรียบเทียบกับสัญญาณที่เป็นเพียงคลื่นไซน์
ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งคือคลื่นสี่เหลี่ยมมีแนวโน้มที่จะสร้างเสียงที่เปล่งรังสีได้มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับคลื่นไซน์ เนื่องจากมันมีฮาร์มอนิกจำนวนมากดังนั้นฮาร์มอนิกเหล่านี้จึงแผ่รังสีออกมา ตัวอย่างทั่วไปคือนาฬิกาสู่ SDRAM บน PCB หากไม่จัดเส้นทางด้วยความระมัดระวังจะทำให้เกิดการแผ่รังสีที่แผ่ออกมามากมาย นี่อาจทำให้เกิดความล้มเหลวในการทดสอบ EMC
คลื่นไซน์อาจแผ่รังสีออกมา แต่จากนั้นคลื่นความถี่ไซน์เท่านั้นที่จะเปล่งแสงออกมา
ประการแรกฟังก์ชั่นไซน์และโคไซน์นั้นมีความต่อเนื่องสม่ำเสมอ (ดังนั้นจึงไม่มีจุดที่ไม่ต่อเนื่องใด ๆ ในโดเมนของพวกเขา) และสามารถสร้างความแตกต่างได้อย่างไร้ขีด จำกัด บนเส้น Real ทั้งหมด พวกเขายังคำนวณได้อย่างง่ายดายโดยใช้วิธีการขยายซีรี่ส์
คุณสมบัติเหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการกำหนดการขยายอนุกรมฟูริเยร์ของฟังก์ชันตามรอบระยะเวลาในสายจริง ดังนั้นรูปคลื่นที่ไม่ใช่รูปไซน์เช่นรูปสี่เหลี่ยม, รูปฟันเลื่อยและรูปสามเหลี่ยมสามารถแสดงเป็นผลรวมของฟังก์ชันไซน์ไม่สิ้นสุด เออร์โกคลื่นไซน์เป็นพื้นฐานของการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกและเป็นรูปคลื่นที่ง่ายที่สุดในการอธิบายทางคณิตศาสตร์
เราชอบทำงานกับแบบจำลองเชิงคณิตศาสตร์เชิงเส้นของความเป็นจริงทางกายภาพเพราะมันใช้งานได้ง่าย ฟังก์ชั่น Sinusoidal คือ'eigenfunctions'ของระบบเชิงเส้น
ฟังก์ชั่นยังคงเหมือนเดิมและมีการปรับขนาดในช่วงกว้างและเปลี่ยนเวลา สิ่งนี้ทำให้เรามีความคิดที่ดีว่าเกิดอะไรขึ้นกับสัญญาณถ้ามันแพร่กระจายผ่านระบบ
Sine / Cosine เป็นคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นอันดับสอง
sin '= cos, cos' = - sin
องค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานเป็นตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุผลิตทั้งการรวมกันของความแตกต่างของกระแสกับความตึงเครียด
โดยการสลายสัญญาณโดยพลการลงในคลื่นไซน์, สมการเชิงอนุพันธ์สามารถวิเคราะห์ได้อย่างง่ายดาย
วิธีหนึ่งในการดูสั้น ๆ ก็คือฟังก์ชั่นอนุกรมของไซน์และโคไซน์เป็นรูปแบบพื้นฐานมุมฉากของพื้นที่เวกเตอร์เชิงเส้นของฟังก์ชันที่มีมูลค่าจริงในช่วงเวลา จำกัด ดังนั้นฟังก์ชั่นในช่วงเวลาสามารถแสดงเป็นการรวมกันเชิงเส้นของฟังก์ชันไซน์และโคไซน์
แน่นอนว่าคุณสามารถใช้ฟังก์ชั่นชุดอื่น ๆ (เช่นเวฟเล็ตโดยเฉพาะ) ตราบเท่าที่พวกมันสร้างชุดข้อมูลพื้นฐานที่ถูกต้องและย่อยสลายฟังก์ชันที่น่าสนใจในแบบนั้น บางครั้งการย่อยสลายดังกล่าวอาจมีประโยชน์ แต่จนถึงตอนนี้เราก็รู้เฉพาะแอปพลิเคชันสำหรับพวกเขาเท่านั้น
การใช้การเปรียบเทียบเชิงเรขาคณิต: คุณสามารถใช้พื้นฐานที่ไม่ใช่ออร์โธโกโนลเพื่ออธิบายส่วนประกอบของเวกเตอร์ ยกตัวอย่างเช่นเวกเตอร์ใน orthonormal [1,8,-4]
พื้นฐานอาจมีส่วนประกอบของ ในบางอื่น ๆ ไม่ใช่สาระสำคัญ orthonormal [21,-43,12]
อาจมีส่วนประกอบของ ไม่ว่าชุดของส่วนประกอบนี้จะง่ายกว่าหรือยากที่จะตีความมากกว่าพื้นฐานดั้งเดิมตามปกติขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณพยายามทำ