Резонанс – буває шкідливий, а буває корисним. Резонанс – це фізичне явище. Теорія та реальні приклади

p align="justify"> Під явищем резонансу варто розуміти миттєве зростання величини амплітуди коливань об'єкта під впливом зовнішнього джерела енергії періодичного характеру впливу з аналогічним значенням частоти.

У статті ми розглянемо природу виникнення резонансу на прикладі механічного (математичного) маятника, електричного коливального контуру та ядерного магнітного резонатора. Щоб простіше уявити фізичні процеси, стаття супроводжується численними вставками як практичних прикладів. Мета статті – пояснити на примітивному рівні явище резонансу у різних сферах його виникнення без математичних формул.

Найпростіша модель, яка може наочно показати коливання, це найпростіший маятник, а точніше математичний маятник. Коливання поділяють на вільні та вимушені. Спочатку енергія, що впливає, на маятник забезпечує в тілі вільні коливання без присутності зовнішнього джерела змінної енергії впливу. Ця енергія може бути як кінетичною, так і потенційною.

Тут немає значення наскільки сильно чи ні хитається сам маятник, - час, витрачене проходження його шляху у прямому і зворотному напрямі, зберігається незмінним. Щоб уникнути непорозумінь із загасанням коливань внаслідок тертя про повітря, варто виділити, що для вільних коливань повинні дотримуватися умови повернення маятника в точку рівноваги та відсутності тертя.

А ось частота у свою чергу безпосередньо залежить від величини довжини нитки маятника. Чим коротша нитка, тим вища частота і навпаки.

Виникаюча природна частота тіла під впливом спочатку прикладеної сили називається резонансною частотою.

Усі тіла, яким властиві коливання, роблять їх із заданою частотою. Для підтримки в тілі невгамовних коливань необхідно забезпечити постійне періодичне енергетичне «підживлення». Це досягається впливом на одночасний такт коливань тіла постійної сили з певним періодом. Таким чином, коливання в тілі, що виникають, під дією періодичної сили зовні називають вимушеними.

У якийсь момент зовнішніх впливів виникає різкий стрибок амплітуди. Такий ефект виникає, якщо періоди внутрішніх коливань тіла збігаються з періодами зовнішньої сили і називається резонансом. Для виникнення резонансу досить невеликих величин зовнішніх джерел впливу, але з обов'язковою умовою повторення такт. Звичайно, при фактичних розрахунках у земних умовах не варто забувати про дію сил тертя та опору повітря на поверхню тіла.

Прості приклади резонансу життя

Почнемо з прикладу виникнення резонансу з яким стикався кожен із нас – це звичайна гойдалка на дитячому майданчику.

Резонанс гойдалок

У ситуації з дитячими гойдалками в момент докладання рукою сили під час проходження однієї з двох симетричних вищих точок виникає стрибок амплітуди з відповідним зростанням енергії коливання. У побуті явище резонансу могли спостерігати у ванній кімнаті любителі вокалу.

Звуковий акустичний резонанс під час співу у ванній

Кожен із співаючих у ванній кімнаті з кахлю напевно помічав як змінюється звук. Звукові хвилі відбиваючись про кахель у замкнутому просторі ванної стають голоснішими і тривалішими. Але до цього впливу не всі ноти пісні вокаліста, а лише ті, які резонують в один такт зі звуковою резонансною частотою повітря.

Для кожного з вищезгаданого випадку виникнення резонансу існує зовнішня збуджуюча енергія: у випадку з гойдалками елементарний поштовх рукою, що збігається з фазою коливання гойдалки, і у випадку з акустичним ефектом у ванній - голос людини, окремі частоти якого збігалися з певними частотами повітря.

Звуковий резонанс келиха - досвід у домашніх умовах

Цей досвід можна провести в домашніх умовах. Для нього необхідний кришталевий келих та закрите приміщення без сторонніх шумів для чуйного сприйняття акустичного ефекту. Змочений водою палець пересуваємо по краю келиха з «рваними» періодичними прискореннями. У процесі подібних рухів ви можете спостерігати виникнення звуку. Цей ефект виникає внаслідок передачі енергії руху, частота коливання якої збігається з частотою коливання келиха.

Руйнування мостів внаслідок резонансу – випадок з Такомським мостом

Всі, хто служив в армії, пам'ятають, як при проходженні строєм мостом від командира звучала команда: «Відставити в ногу!». Чому ж не можна було проходити строєм мостом «в ногу»? Виявляється, при проходженні строєм по мосту з одночасним підняттям випрямленої ноги до рівня коліна військовослужбовці опускають площину підошви в один такт із зусиллям, яке супроводжується характерним ляпасом.

Крок військовослужбовців зливається в один єдиний такт, створюючи стрибкоподібну зовнішню енергію для моста з певною величиною коливань. Якщо власна частота коливань моста збігається з коливанням кроку солдатів «в ногу» - відбудеться резонанс, енергія якого може призвести до руйнівних дій конструкції моста.

Хоча випадки повної руйнації мосту і не зафіксовані при проходженні солдатів «у ногу», але відоміший випадок руйнування Такомського мосту через протоку Такома-Нерроуз у штаті Вашингтон США в 1940 році.

Одна з причин ймовірних причин руйнування - механічний резонанс, який виник унаслідок збігу частоти вітрового потоку із внутрішньою власною частотою моста.

Резонанс струму в електричних ланцюгах

Якщо в механіці явище резонансу можна пояснити порівняно просто, то в електриці все на пальцях не пояснити. Для розуміння потрібні елементарні знання фізики електрики. Резонанс, що створюється в електричному ланцюзі, може виникати за умови коливального контуру. Які елементи необхідні для створення коливального контуру електричної мережі? Насамперед ланцюг має бути підключений до джерела електричної енергії.

В електромережі найпростіший коливальний контур складається з конденсатора та котушки індуктивності.

Конденсатор, що складається всередині двох металевих пластин розділених діелектричними ізоляторами, здатний зберігати електричну енергію. Аналогічну властивість має і котушка індуктивності, виконана у вигляді спіралеподібних витків провідника електрики.

Взаємне з'єднання конденсатора і котушки індуктивності в електричній мережі, що утворює коливальний контур може бути як паралельним так і послідовним. У наступному відеопосібнику для демонстрації резонансу наводять приклад послідовного способу включення.

Коливання електричного струму всередині контуру виникає під впливом електроенергії. Однак, не всі сигнали, що надходять, а точніше його частоти, служать джерелом виникнення резонансу, а тільки ті, частота яких збігається з резонансною частотою контуру. Інші, які беруть участь у процесі, придушуються у загальному потоці сигналу. Регулювати резонансну частоту можна за допомогою зміни значень ємності конденсатора та індуктивності котушки.

Повертаючись до фізики резонансу в механічних коливаннях, він особливо виражений за мінімальних значень сил тертя. Показник тертя зіставляється в електричному ланцюзі опору, збільшення якого веде до нагрівання провідника внаслідок перетворення електричної енергії на втрутренню енергію провідника. Тому, як і у випадку з механікою, коливальний електричний контур резонанс чітко виражений при низькому активному опорі.

Приклад електричного резонансу в процесі налаштування ТБ та радіоприймачів

На відміну від резонансу в механіці, який може негативно впливати на матеріали конструкцій аж до руйнування, в електричних цілях його використовують у корисному функціональному призначенні. Один із прикладів застосування - налаштування ТБ та радіопрограм у приймачах.

Радіохвилі відповідної частоти досягають прийомних антен і викликають невеликі електричні коливання. Далі сигнал, що включає весь пул передач, що транслюються, надходить в підсилювач. Налаштований на певну частоту відповідно до значення регульованої ємності конденсатора, коливальний контур приймає тільки той сигнал, частота якого збігається з його власною.

У радіоприймачі встановлено коливальний контур. Для налаштування на станцію обертають рукоятку конденсатора змінної ємності, змінюючи положення пластин і відповідно змінюючи резонансну частоту контуру.

Згадайте аналоговий радіоприймач «Океан» часів СРСР, ручка налаштування каналів у якому є ні що інше як регулятор зміни ємності конденсатора, положення якого змінює резонансну частоту контуру.

Ядерний магнітний резонанс

Окремі види атомів містять ядра, які можна порівняти із мініатюрними магнітами. Під впливом потужного зовнішнього магнітного поля ядра атомів змінюють свою орієнтацію відповідно до взаємного розташування свого власного магнітного поля по відношенню до зовнішнього. Зовнішній сильний електромагнітний імпульс поглинається атомом, внаслідок чого відбувається його переорієнтація. Як тільки джерело імпульсу припиняє свою дію, ядра повертаються на свої вихідні позиції.

Ядра в залежності від приналежності до того чи іншого атома здатні приймати енергію у певному діапазоні частот. Зміна позиції ядра відбувається в один такт із зовнішнім коливанням електромагнітного поля, що і є причиною виникнення так званого ядерного магнітного резонансу (скорочено ЯМР). У науковому світі цей вид резонансу використовується для вивчення атомних зв'язків у межах складних молекул. Метод відображення магнітного резонансу (ОМР), що використовується в медицині, дозволяє виводити результати сканування внутрішніх людських органів на дисплей для встановлення діагнозу і призначення лікування.

Магнітне поле ОМР сканера, яке формується за допомогою котушок індуктивності, створює випромінювання високої частоти під впливом якого водню змінюють свою орієнтацію за умови збігу своїх власних частот із зовнішнім. В результаті отриманих даних із датчиків формується графічна картинка на моніторі.

Якщо порівнювати метод ЯМР і ГМР щодо випромінювання, то сканування за допомогою ядерного магнітного резонатора менш шкідливе, ніж ГМР. Також при дослідженні м'яких тканин технологія ЯМР показала більшу ефективність відображення деталізації досліджуваної ділянки тканини.

Що таке спектрографія

Взаємна зв'язок між атомами в молекулі не суворо жорстка, за зміни якої молекула перетворюється на стан коливання. Частота коливань взаємних зв'язків атомів змінює відповідно резонансну частоту молекул. За допомогою випромінювання електромагнітних хвиль в ІЧ спектрі можна викликати вищезазначені коливання атомних зв'язків. Цей метод під назвою інфрачервона спектрографія використовується у наукових лабораторіях для вивчення складу досліджуваного матеріалу.

Федотова Вікторія

Мета: Вивчити інформацію про механічний резонанс, його застосування та облік.

Завдання: 1. Зібрати та систематизувати інформацію про застосування та облік механічного резонансу в природі, побуті та техніці.

2. Продемонструвати досліди щодо спостереження механічного резонансу.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

Підписи до слайдів:

Механічний резонанс

1602 4 F тр max

Механічний резонанс користь шкода

20 січня (2 лютого) 1905 року Єгипетським ланцюговим мостом у Санкт - Петербурзі проходив ескадрон гвардійської кавалерії

Руйнування Такомського мосту в Америці в 1940 році

2010 року «танцював» міст у Волгограді

Резонанс у техніці 1. 2. 3. 4.

Єрихонські труби

Ротова та носова порожнини відіграють роль резонаторів

Частотомір

Звуковий резонанс

Механічний резонанс користь шкоду Застосовують Враховують та зменшують

Попередній перегляд:

Проект із фізики «Механічний резонанс»

Мета: Вивчити інформацію про механічний резонанс, його застосування та облік.

Завдання: 1. Зібрати та систематизувати інформацію про застосування та облік механічного резонансу в природі, побуті та техніці.

2. Продемонструвати досліди щодо спостереження механічного резонансу.

Кожен із нас любить веселе заняття – розгойдування на гойдалках. Розважаючи себе або дитину, ми докладаємо силу потрібного напряму в певний момент. Дуже дивно виглядала б людина, яка намагається розкачати гойдалку, підштовхуючи їх не вчасно. Чому прикладаючи силу не вчасно не можна розкачати гойдалку? Це питання довго залишалося без відповіді, допоки на уроці фізики ми не вивчили резонанс. Це явище природи дуже загадкове. Ми вирішили трохи підняти завісу таємниці.

Механічним резонансомназивають явище різкого зростання амплітуди коливань, коли частота вимушених коливань збігається з частотою фізичної системи.Явище резонансувперше було описано Галілео Галілеєм у 1602 р у роботах, присвячених дослідженнюмаятників та музичних струн.Найбільш чітко резонанс спостерігається, якщо тертя у системі мінімальне.

Для запобігання цьому явищу або збільшують тертя, або змінюють параметри самої коливальної системи.

Як будь-яке природне явище, резонанс не може бути однозначно корисним чи шкідливим, він має свої плюси та мінуси. Коли він шкідливий, його враховують та намагаються запобігти, якщо корисний – застосовують.

Кожна деталь, механізм, машина чи споруда мають власну частоту коливання. Якщо вони під час роботи потрапляють під дію змушуючої сили, дуже небезпечними можуть бути наслідки при збігу частот.

20 січня (2 лютого) 1905 року Єгипетським ланцюговим мостом у Санкт - Петербурзі проходив ескадрон гвардійської кавалерії, назустріч йому рухалися 11 саней з візниками. У цей момент міст звалився на лід Фонтанки. Основна версія полягає в тому, що конструкція мосту не витримала надто ритмічних коливань від злагодженого кроку військових, через що в ній відбувся резонанс. Ця версія була включена в шкільну програму з фізики як наочний приклад, крім того, було введено нову військову команду «йти не в ногу», вона дається стройовій колоні перед виходом на будь-який міст. Руйнування Такомського мосту сталося через той же резонанс в Америці в 1940 році, мосту в Анжері, у Франції в 1850 році. 2010 року «танцював» міст у Волгограді.

Механічний резонанс може виникнути, наприклад, у процесі розгону механізму ротора при якійсь проміжній частоті обертання; із збільшенням частоти резонанс припиняється. Резонанс може виникнути не в усьому механізмі, а лише у будь-якій його частині; при резонансі може відламатися.

Деякі льотчики-випробувачі з жахом повідомляли, що при польоті їхній літак раптом починало сильно трясти, і через кілька хвилин він буквально розсипався в повітрі. Розслідування таких випадків дали відповідь про винуватця аварії: це був резонанс. Працюючи двигунів збіглися частоти їх коливань зі своєю частотою коливань корпусу літака. Розмах вагань все збільшувався, і літак просто розсипався у повітрі. Відомі випадки, коли доводилося розбудовувати океанські лайнери, щоб зменшити вібрацію. Будь-яке тіло має власну частоту коливань. І якщо зуміти підібрати таку саму частоту зовнішньої сили, руйнація буде неминуче. Найяскравішим прикладом цього є Єрихонські труби. За переказами, коли вони засурмили, стіни Єрихона впали. Так само можна розбити склянку. А любителі Шрека згадали пташку, яка лопнула від співу Фіони Відгук, званий резонансом, виявляється і так. Ось загуло-завібрувало шибку без будь-яких ударів або інших помітних впливів; а ось при прослуховуванні тихої музики почав відгукуватися келих, що стоїть у шафі, причому на одній і тій самій ноті.

Перенесемося подумки до стародавнього Риму, де на сцені Колізею грали різні трагедії. Величезний амфітеатр улаштований таким чином, що всі присутні чують навіть пошепки вимовлене слово на сцені. Тут працює резонанс. Адже й сучасні концертні зали будують за особливими законами, створюючи умови для резонансу. Та й ми з вами використовуємо його для спілкування. При говорі чи співі ми округляємо рот, посилюючи звук. Мавпи-ревуни користуються цим явищем набагато краще за нас, їхній рев розноситься на кілька кілометрів. Та й звичайні жаби у шлюбний період видають досить гучні крики. У тих та інших є резонаторний мішок, який вони роздмухують під час крику. Люди підглянули у природі явище резонансу і почали використовувати його з метою. Багато хто з нас неодноразово милувалися витонченими формами музичних інструментів, але лише деякі запитують: «А навіщо скрипці потрібна така форма?» І тут вся річ у резонансі. Звуки різної висоти резонують у різних місцях химерно вигнутого інструменту. Усі підсилювачі звуку мають розміри, які підходять для резонансу. Варто лише трохи їх змінити, звук відразу «зникає». Шум морської раковини теж породжений резонансом.

На явище резонансу ґрунтується дія приладу, що дозволяє вимірювати частоту коливань. Цей прилад називаєтьсячастотоміром. Частоту механічних коливань зазвичай вимірюють за допомогою вібраційних механічних та електричнихчастотомірів ., що використовуються спільно з перетворювачами механічних коливань на електричні. Найпростіший вібраційний механічнийчастотомір, дія якого заснована на резонансі, є рядом пружних пластин, укріплених одним кінцем на загальній основі. Пластини підбирають по довжині і масі так, щоб частоти власних коливань склали якусь дискретну шкалу, за якою і визначають значення вимірюваної частоти. Механічні коливання, що впливають на основучастотоміра , Викликають вібрацію пружних пластин, при цьому найбільша амплітуда коливань спостерігається у тієї пластини, у якої частота власних коливань дорівнює (або близька за значенням) вимірюваної частоти.

Досліди щодо спостереження резонансу.

1. Підвісимо до мотузки, закріпленої у стійках, кілька маятників різної довжини. Відхилимо маятник A від положення рівноваги та надамо його самому собі. Він здійснюватиме вільні коливання, діючи з деякою періодичною силою на мотузку. Мотузка в свою чергу діятиме на решту маятників. У результаті всі маятники почнуть здійснювати вимушені коливання із частотою коливань маятника A . Ми побачимо, що всі маятники почнуть коливатися з частотою, що дорівнює частоті коливань маятника A . Однак їхня амплітуда коливань, крім маятника C , буде менше, ніж амплітуда коливань маятника A. Маятник же C , довжина якого дорівнює довжині маятника A , буде розгойдуватися дуже сильно. Отже, найбільшу амплітуду коливань має маятник, власна частота коливань якого збігається з частотою сили, що змушує. У цьому випадку кажуть, що спостерігаєтьсярезонанс.
2. Розташуємо два однакових камертони поруч, повернувши їх один до одного тими сторонами скриньок, де немає стінок. Вдаримо лівий камертон молоточком. За секунду заглушимо його рукою. Ми почуємо, що звучить другий камертон, який ми не вдаряли. Говорять, що правий камертонрезонує, тобто вловлює енергію звукових хвиль від лівого камертону, у результаті збільшує амплітуду власних коливань.

Висновок: Вивчивши явище механічного резонансу, зрозуміли, що це непросте явище. Про нього треба пам'ятати та враховувати, оскільки воно може принести користь та шкоду. Якщо резонанс приносить користь, це використовують і застосовують, і якщо шкода, - то враховують і зменшують дію резонансу.

Перш ніж розпочати знайомство з явищами резонансу, слід вивчити фізичні терміни, пов'язані з ним. Їх не так багато, тому запам'ятати та зрозуміти їхній зміст буде нескладно. Отже, все по порядку.

Що таке амплітуда та частота руху?

Уявіть звичайне подвір'я, де на гойдалках сидить дитина і махає ніжками, щоб розхитатися. У момент, коли йому вдається розкачати гойдалку і вони досягають з одного боку до іншого, можна підрахувати амплітуду та частоту руху.

Амплітуда – це найбільша довжина відхилення від точки, де тіло знаходилося в положенні рівноваги. Якщо брати наш приклад гойдалок, то амплітудою можна вважати найвищу точку, до якої розхиталася дитина.

А частота – це кількість коливань чи коливальних рухів за одиницю часу. Вимірюється частота у Герцах (1 Гц = 1 коливання в секунду). Повернемося до наших гойдалок: якщо дитина проходить за 1 секунду тільки половину всієї довжини гойдання, то її частота дорівнюватиме 0,5 Гц.

Як частота пов'язана із явищем резонансу?

Ми вже з'ясували, що частота характеризує кількість коливань предмета за одну секунду. Уявіть тепер, що дитині, що слабо гойдається, доросла людина допомагає розгойдатися, щоразу підштовхуючи гойдалки. При цьому дані поштовхи також мають свою частоту, яка посилюватиме або зменшуватиме амплітуду гойдання системи "гойдалка-дитина".

Припустимо, дорослий штовхає гойдалки в той час, коли вони рухаються назустріч до нього, в такому разі частота не збільшуватиме амлітуду руху. Тобто стороння сила (в даному випадку поштовхи) не сприятиме посиленню коливання системи.

Якщо частота, з якою дорослий розгойдує дитину, буде чисельно дорівнює самій частоті коливання гойдалок, може виникнути резонанс. Іншими словами, приклад резонансу - це збіг частоти самої системи із частотою вимушених коливань. Логічно уявити, що частота та резонанс взаємопов'язані.

Де можна спостерігати приклад резонансу?

Важливо розуміти, що приклади вияву резонансу зустрічаються практично у всіх сферах фізики, починаючи від звукових хвиль та закінчуючи електрикою. Сенс резонансу у тому, що коли частота змушує сили дорівнює своїй частоті системи, то цей момент досягає найвищого значення.

Наступний приклад резонансу дасть розуміння суті. Припустимо, ви крокуєте тонкою дошкою, перекинутою через річку. Коли частота ваших кроків збігається з частотою або періодом усієї системи (дошка-людина), то дошка починає сильно вагатися (хилитися вниз і вгору). Якщо ви продовжите рухатися такими ж кроками, то резонанс викличе сильну амплітуду коливання дошки, яка виходить за межі допустимого значення системи і це призведе до неминучої поломки містка.

Існують також сфери фізики, де можна використовувати таке явище, як корисний резонанс. Приклади можуть здивувати вас, адже ми використовуємо його інтуїтивно, навіть не здогадуючись про наукову сторону питання. Так, наприклад, ми використовуємо резонанс, коли намагаємось витягнути машину з ями. Згадайте, адже найлегше досягти результату лише тоді, коли штовхаєш машину в момент її руху вперед. Цей приклад резонансу посилює амплітуду руху, тим самим допомагаючи витягти машину.

Приклади шкідливого резонансу

Складно сказати, який резонанс у нашому житті зустрічається більше: хороший або шкода, що завдає нам. Історії відомо чимало жахливих наслідків явища резонансу. Ось найвідоміші події, на яких можна спостерігати приклад резонансу.

1. У Франції, у місті Анжера, 1750 року загін солдатів йшов у ногу через ланцюговий міст. Коли частота їхніх кроків збіглася з частотою моста, розмахи коливань (амплітуда) різко збільшилися. Настав резонанс, і ланцюги обірвалися, а міст упав у річку.
2. Траплялися випадки, коли в селах будинок був зруйнований через вантажний автомобіль, що проїжджав головною дорогою.

Як бачите, резонанс може мати небезпечні наслідки, ось чому інженерам слід ретельно вивчати властивості будівельних об'єктів і правильно обчислювати їх частоти коливань.

Корисний резонанс

Резонанс не обмежується лише плачевними наслідками. При уважному вивченні навколишнього світу можна спостерігати безліч добрих та вигідних для людини результатів резонансу. Ось один яскравий приклад резонансу, що дозволяє отримувати людям естетичне задоволення.

Пристрій багатьох музичних інструментів працює за принципом резонансу. Візьмемо скрипку: корпус та струна утворюють єдину коливальну систему, усередині якої є штифт. Саме через нього передаються частоти коливань із верхньої деки до нижньої. Коли лют'єр водить смичком по струні, то остання, подібно до стріли, перемагає своєю тертям каніфольної поверхні і летить у зворотний бік (починає рух у протилежну область). Виникає резонанс, який передається у корпус. А всередині його є спеціальні отвори – ефи, крізь які резонанс виводиться назовні. Саме таким чином він контролюється у багатьох струнних інструментах (гітара, арфа, віолончель та ін.).

Будуючи мости, інженери брали до уваги тільки тиск ваги людей, що переходять по них, і вантажів, що перевозяться. Але несподівані катастрофи довели, що при спорудженні мостів потрібно зважати ще на якісь інші впливи на їхні балки.

Якось по висячому мосту поблизу Анжера (Франція) проходив загін солдатів, які чітко відбивали крок, ударяючи одночасно то правою, то лівою ногою по настилу. Під ударами ніг міст злегка розгойдувався, але раптом обірвалися ланцюги, що підтримували, і міст разом з людьми впав у річку. Загинуло понад двісті людей.

Громадська думка була обурена. Будівельників мосту звинувачували у недбалості розрахунків, у неприпустимій економії металу... Інженери дивувалися: що спричинило обрив ланцюгів моста, який прослужив уже кілька десятків років?

Як завжди, розпочалися й суперечки. Старі практики, не роздумуючи довго, стверджували, ніби ланцюги переіржавіли і не витримали тяжкості солдатів.

Проте огляд обірваних кіл не підтвердив цього пояснення. Метал не був глибоко пошкоджений іржею. Поперечний переріз ланок забезпечував необхідний запас міцності.

Так і не вдалося знайти причину обвалення мосту.

Минуло кілька десятків років, і подібна катастрофа повторилася в Петербурзі.

Кавалерійська частина переходила Єгипетським мостом через Фонтанку. Коні, навчені ритмічного кроку, одночасно вдаряли копитами. Міст трохи погойдувався в такт ударам. Несподівано обірвалися ланцюги, що підтримували міст, і він разом із вершниками впав у річку.

Знову розгорілися забуті суперечки. Потрібно було вирішити загадкову причину таких катастроф, щоб вони більше не повторювалися. Адже мости були правильно розраховані. Ланцюги повинні були витримати в кілька разів більший вантаж, ніж вага людей і коней, що переходили мостами.

Які ж сили розірвали ланки ланцюгів?

Деякі інженери здогадувалися, що обвалення мостів пов'язане з ритмічністю ударів об підлогу.

Але чому катастрофи траплялися з висячими мостами? Чому звичайними, балочними мостами безпечно переходять військові піхотні та кавалерійські частини?

Відповідь на ці питання могло дати лише вивчення дії поштовхів за різної конструкції мосту.

Балку висячого мосту можна порівняти з дошкою, покладеною кінцями опори. Коли на ній підстрибує хлопчик, дошка вигинається то вгору, то вниз. Якщо потрапити в такт цих коливань, то її розмахи ставатимуть дедалі більше, поки нарешті дошка не зламається.

Балки висячого мосту також можуть вагатися, хоча це менш помітно на око. Міст поблизу Анжера вагався з періодом близько 1,5 секунди. Коли ним йшли солдати, ритм їхніх кроків випадково потрапив у такт своїх коливань його балок. Непомітні розмахи ставали дедалі більше. Нарешті ланцюги не витримали та розірвалися.

Збіг періоду коливань тіла з проміжком між збуджуючими їх поштовхами отримало назву резонансу.

Дуже цікавий досвід, що ілюструє явище резонансу, свого часу зробив ще Галілей. Підвісивши важкий маятник, він почав дихати на нього, намагаючись, щоб проміжки між видиханнями повітря припадали на такт із власними коливаннями маятника. Кожен видих справляв зовсім непомітний поштовх. Однак, поступово накопичуючись, дія цих поштовхів розгойдала важкий маятник.

З явищем резонансу нерідко трапляються у техніці. Воно могло б, наприклад, виникнути при переїзді поїзда балочним мостом. Коли колеса паровоза чи вагонів зустрічають стики рейок, вони роблять поштовх, що передається балкам. У балках починаються коливання певної частоти. Якби поштовхи потрапили до такту коливань балок, то виник би небезпечний резонанс.

Щоб уникнути цього явища, інженери проектують мости так, щоб період їхніх власних коливань був дуже коротким. У цьому випадку проміжок часу, протягом якого Колесо пробігає від одного стику до іншого, більше за період коливань балок, і резонансу? не буває.

Внаслідок резонансу може розхитатися і важко навантажене судно під час навіть слабкого хвилювання.

Рівновага судна залежить від відносного положення центру тяжкості та так званого центру тиску. Вода тисне з усіх боків на занурену в неї частину корпусу. Усі сили тиску можна замінити однією рівнодією. Вона прикладена до центру тяжкості витісненої води та спрямована прямо вгору. Точка застосування її і є центр тиску. Зазвичай він лежить вище за центр тяжіння.

Поки корпус судна тримається рівно, сила тяжіння та тиск прямо протилежні та врівноважують один одного. Але якщо судно чомусь нахилилося, то центр тиску переміститься убік. Тепер на нього діють дві сили – сила тяжіння та тиск. Вони прагнуть виправити становище судна. Внаслідок цього судно випрямиться і за інерцією хитнеться в інший бік.

Так воно стане вагатися подібно до маятника. Це власні коливання судна, які під впливом бортових ударів хвиль. Якщо ці удари потраплять у такт качки судна, то розмахи судна все збільшуватимуться. Качка судна може стати небезпечною і навіть спричинити його загибель.

Така катастрофа і сталася з англійським броненосцем «Кептен», спущеним на воду 1870 року.

Це судно було одягнене у товсту сталеву броню. У невисоких важких вежах броненосця були встановлені гармати. Екіпаж налічував 550 матросів та офіцерів. Передбачалося, що «Кептен» буде одним із найгрізніших броненосців англійського флоту.

Товста сталева броня, якою була обшита надводна частина корпусу, важкі вежі та потужні артилерійські гармати надто підвищили центр ваги. У першу бурю броненосець сильно нахилився, ліг на бік, перекинувся вгору кілем і пішов на дно. Лише небагатьом із його команди вдалося врятуватися.

Зовнішнього впливу до деяких значень (резонансних частот), що визначаються властивостями системи. Збільшення амплітуди - це лише слідстворезонансу, а причина- Збіг зовнішньої (збудливої) частоти з внутрішньою (власною) частотою коливальної системи. За допомогою явища резонансу можна виділити та/або посилити навіть дуже слабкі періодичні коливання. Резонанс - явище, що полягає в тому, що при певній частоті сила, що змушує, коливальна система виявляється особливо чуйною на дію цієї сили. Ступінь чуйності теоретично коливань описується величиною, званої добротність . Явище резонансу вперше було описано Галілео Галілеєм у 1602 р у роботах, присвячених дослідженню маятників та музичних струн.

Механіка

Найбільш відома більшості людей механічна резонансна система - це звичайна гойдалка. Якщо ви підштовхуватимете гойдалки відповідно до їхньої резонансної частоти, розмах руху буде збільшуватися, в іншому випадку рухи будуть загасати. Резонансну частоту такого маятника з достатньою точністю в діапазоні малих зсувів від рівноважного стану можна знайти за формулою:

Механізм резонансу полягає в тому, що магнітне поле індуктивності генерує електричний струм, що заряджає конденсатор, а розрядка конденсатора створює магнітне поле в індуктивності - процес, який багаторазово повторюється, за аналогією з механічним маятником.

Взявши, що в момент резонансу індуктивна та ємнісна складові імпедансу рівні, резонансну частоту можна знайти з виразу

де; f - резонансна частота у герцах; L - індуктивність у генрі; C-ємність у фарадах. Важливо, що у реальних системах поняття резонансної частоти нерозривно пов'язані з смугою пропусканнятобто діапазоном частот, в якому реакція системи мало відрізняється від реакції на резонансній частоті. Ширина смуги пропускання визначається добротністю системи.

НВЧ

У НВЧ електроніці широко використовуються об'ємні резонатори, найчастіше циліндричної або тороїдальної геометрії з розмірами порядку довжини хвилі, в яких можливі добротні коливання електромагнітного поля на окремих частотах, що визначаються граничними умовами. Найвищу добротність мають надпровідні резонатори, стінки яких виготовлені з надпровідника і діелектричні резонатори з модами галереї, що шепоче.

Оптика

Акустика

Резонанс - один з найважливіших фізичних процесів, що використовуються при проектуванні звукових пристроїв, більшість з яких містять резонатори, наприклад, струни та корпус скрипки, трубка у флейти, корпус у барабанів.

Астрофізика

Орбітальний резонанс у небесній механіці - це ситуація, коли два (чи більше) небесних тіла мають періоди звернення, які ставляться як невеликі натуральні числа. В результаті ці небесні тіла надають регулярний гравітаційний вплив один на одного, який може стабілізувати їх орбіти.

Резонансний метод руйнування льоду

Відомо, що під час руху навантаження по крижаному покриву розвивається система згинальних гравітаційних хвиль (ІГВ). Це поєднання згинальних коливань пластини льоду та пов'язаних з ними гравітаційних хвиль у воді. Коли швидкість навантаження близька до мінімальної фазової швидкості ІГВ, вода припиняє підтримку крижаного покриву і підтримка здійснюється тільки пружними властивостями льоду. Амплітуда ІГВ різко зростає, і з достатнім навантаженням починається руйнування. Потужність в кілька разів нижче (залежно від товщини льоду) в порівнянні з криголамами і криголамними навісними обладнаннями. Цей метод руйнування льоду відомий як резонансний метод руйнування льоду Вчений Козін Віктор Михайлович отримав експериментальні теоретичні криві, які показують можливості свого методу.

Примітки

Див. також

Література

• Richardson LF(1922), Weather prediction by numerical process, Cambridge.
• Bretherton FP(1964), Resonant interactions між waves. J. Fluid Mech., 20, 457-472.
• Бломберген Н.Нелінійна оптика, М.: Світ, 1965. – 424 с.
• Захаров Ст.(1974), Гамільтонів формалізм для хвиль у нелінійних середовищах з дисперсією, Изв. вузів СРСР. Радіофізика, 17(4), 431-453.
• Арнольд Ст І.Втрата стійкості автоколивань поблизу резонансів, Нелінійні хвилі / Ред. А. В. Гапонов-Гріхів. - М: Наука, 1979. С. 116-131.
• Kaup PJ, Reiman A та Bers A(1979), Space-time evolution of nonlinear three-wave interactions. Interactions in a homogeneous medium, Rev. of Modern Phys, 51 (2), 275-309.
• Haken H(1983), Advanced Synergetics. Інстабільність Hierarchies of Self-Organizing Systems and devices, Berlin, Springer-Verlag.
• Філіпс О.М.Взаємодія хвиль. Еволюція ідей, сучасна гідродинаміка. Успіхи та проблеми. - М: Мир, 1984. - С. 297-314.
• Журавльов В. Ф., Клімов Д. М.Прикладні методи теорії коливань. - М: Наука, 1988.
• Сухоруков А.ПНелінійні хвильові взаємодії в оптиці та радіофізиці. - М: Наука, 1988. - 232 с.
• Брюно А. Д.Обмежене завдання трьох тіл. - М: Наука, 1990.

Посилання

• Демонстрація явища резонансу на прикладі вимушених коливань пружинного маятника

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Резонанс" в інших словниках:

- (франц. resonance, від лат. resono звучу у відповідь, відгукуюсь), відносно великий селективний (виборчий) відгук коливальної системи (осцилятора) на періодич. вплив із частотою, наближеною до частоти її собств. коливань. При Р.… … Фізична енциклопедія

- (Фр., Від лат. Resonare лунати). У акустиці: умови повного поширення звуку. Дошка для посилення звучності струн в музичних інструментах. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н., 1910. Словник іноземних слів російської мови

Резонанс- Резонанс: а резонансні криві лінійних осциляторів за різної добротності Q(Q3>Q2>Q1), x інтенсивність коливань; б залежність фази від частоти при резонансі. РЕЗОНАНС (французька resonance, від латинського resono відгукуюсь), різке… Ілюстрований енциклопедичний словник

РЕЗОНАНС, резонансу, мн. ні, чоловік. (Від лат. resonans дає відгук). 1. У відповідь звучання одного з двох тіл, налаштованих в унісон (фіз.). 2. Здатність збільшувати силу та тривалість звуку, властива приміщенням, внутрішня поверхня… … Тлумачний словник Ушакова

Відгук, резонон, мезомерія, відгук, адрон, частка, відлуння Словник російських синонімів. резонанс див. відгук Словник синонімів російської мови. Практичний довідник М: Російська мова. З. Є. Александрова. 2 … Словник синонімів