Резонанс в технике сообщение

Обновлено: 30.06.2024

Явление резкого роста амплитуды вынужденных колебаний в случае, когда частота изменения внешней силы, которая действует на систему, совпадает с частотой свободных колебаний, называется резонансом (от латинского слова reѕonanѕ - тот, что откликается), а соответствующая частота - резонансной частотой.
В настоящее время специальные электротехнические дисциплины ставят задачи расчёта и исследования процессов, характеризуемых токами, напряжениями, мощностями, магнитными потоками и т.д., а также задачи расчёта и исследования явлений, которые характеризуются напряжённостью электрического и индукцией магнитного полей, потоком мощности и т.д.

Содержание работы

1. Введение
2. История возникновения электрического резонанса
3. Понятие электрического резонанса
4. Применение явления электрического резонанса в технике
5. Заключение
6. Список литературы

Файлы: 1 файл

Физика-реферат.docx

Министерство сельского хозяйства РФ ФГБОУ ВПО

Работу выполнила: студентка I курса

11а группы технического факультета УТС

Научный руководитель: Ишкаева С.А.

Введение
История возникновения электрического резонанса
Понятие электрического резонанса
Применение явления электрического резонанса в технике
Заключение
Список литературы

В настоящее время специальные электротехнические дисциплины ставят задачи расчёта и исследования процессов, характеризуемых токами, напряжениями, мощностями, магнитными потоками и т.д., а также задачи расчёта и исследования явлений, которые характеризуются напряжённостью электрического и индукцией магнитного полей, потоком мощности и т.д.

Развитие электротехники потребовало больших работ в области изучения и разработки электромагнитных явлений и их практического применения.

На современном этапе широкое развитие получили общие вопросы теории электрических цепей, явление резонанса имеющие большое значение почти для всех прикладных отраслей электротехники.

Во всех современных электротехнических устройствах, предназначенных для различных технических цепей, происходят те или иные энергетические преобразования.

Сегодня, явление электрического резонанса очень активно используют в радиотехнике, в прикладной акустике, в электротехнике, электронике и других отраслях.

История возникновения электрического резонанса

В 1900г. хорватский изобретатель (в то время гражданин Австро-Венгерской империи) Никола Тесла (1856-1943) продемонстрировал в Нью-Йорке дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса. Свое устройство он назвал "Мировая система". Колоссальная металлическая башня должна была аккумулировать электроэнергию и посылать по строго направленному лучу прямо "в руки" потребителю без всяких проводов. Но. известный американский миллиардер Джон Морган не стал финансировать этот проект. Есть версия, что секрет передачи электроэнергии без проводов Теслы выкупил другой миллиардер - Форд, который опасался громадных убытков от изобретения в своей автомобильной индустрии.

Позднее, это послужило основанием в 1943 г. Верховному суду США принять решение об аннулировании соответствующего патента Г. Маркони, как не приоритетного в этой области. Не так давно американские ученые под руководством Джеймса Корума доказали, что идея Теслы - не такая уж фантастика, он действительно создал такое устройство. Получая награды в честь своего 80-летия, Hикола Тесла как-то обмолвился, что он открыл метод выпрямления искривленного пространства и еще некоторые вещи, включая и крайне экономичное производство радия, ценою 2 доллара за килограмм. Также под руководством Теслы уже в 1899 г. была сооружена радиостанция мощностью 200 кВт в шт. Колорадо.

Понятие электрического резонанса

Явление возрастания амплитуды колебаний тока при совпадении частоты ω внешнего источника с собственной частотой ω0 электрической цепи называется электрическим резонансом. При резонансе

Сдвиг фаз φ между приложенным напряжением и током в цепи при резонансе обращается в нуль. Резонанс в последовательной RLC-цепи называется резонансом напряжений. Аналогичным образом с помощью векторной диаграммы можно исследовать явление резонанса при параллельном соединении элементов R, L и C (так называемый резонанс токов).

При последовательном резонансе (ω = ω0) амплитуды UC и UL напряжений на конденсаторе и катушке резко возрастают:

Понятие добротности RLC-контура:

Таким образом, при резонансе амплитуды напряжений на конденсаторе и катушке в Q раз превышают амплитуду напряжения внешнего источника.

Рис.1. Резонансные кривые для контуров с различными значениями добротности Q

Рис. 1 иллюстрирует явление резонанса в последовательном электрическом контуре. На рисунке графически изображена зависимость отношения амплитуды UC напряжения на конденсаторе к амплитуде 0 напряжения источника от его частоты ω для различных значений добротности Q. Кривые на рисунке называются резонансными кривыми.

Рис.2. Модель. Вынужденные колебания в RLC-контуре

Можно показать, что максимум резонансных кривых для контуров с низкой добротностью несколько сдвинуты в область низких частот.

Таким образом, явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением.

Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно:

найти ее комплексное сопротивление или проводимость;
выделить мнимую часть и приравнять нулю.

Все параметры электрической цепи, входящие в полученное уравнение, будут в той или иной степени влиять на характеристики явления резонанса.

В электрических цепях резонанс может рассматриваться в задачах:

анализа этого явления при вариации параметров цепи;
синтеза цепи с заданными резонансными параметрами.

Электрические цепи с большим количеством реактивных элементов и связей могут представлять значительную сложность при анализе и почти никогда не используются для синтеза цепей с заданными свойствами, т.к. для них не всегда возможно получить однозначное решение. Поэтому на практике исследуются простейшие двухполюсники и с их помощью создаются сложные цепи с требуемыми параметрами.

Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром. Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным, и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор). Однако при анализе резистивным сопротивлением следует учитывать, по крайней мере, сопротивления проводников.

Применение явления электрического резонанса в технике

Любое упругое тело: мост, станина машины, ее вал, корпус корабля или крыла самолета является колебательной системой и характеризуется собственными частотами колебаний. Работа многих машин, механизмов, станков, домов и других сооружений сопровождается возникновением сил, которые периодически изменяются и по направлению, и по значению. Так, в поршневых машинах, к которым принадлежат двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, вследствие возвратно-поступательного движения некоторых частей (например, поршня), выхлопа газа или пары возникают периодически возбуждающие силы. Роторы турбин, валы машин и т.п. практически невозможно центрировать абсолютно точно. Поэтому во время обращения ротора или вала на него действует не уравновешенная периодическая сила, возбуждая колебание. Если частота изменений направления силы совпадает с собственной частотой свободных колебаний машины, то амплитуда колебаний машины может вырастить настолько, что это приведет к ее разрушению, хотя напряжение в материале и не превышает границы прочности при статических нагрузках. Дело в том, что железо, сталь и другие материалы в случае сменных нагрузок быстрее или медленнее теряют прочность, после чего внезапно разрушаются.

Вынужденные колебания может осуществлять не только машина в целом, а и, что опаснее, отдельные ее части: диски и лопатки турбин, крыла и оперение самолетов, коленчатые валы двигателей, лопасти винтов пароходов и т.п.. подобные колебания, если не принять предупредительные меры, вследствие возникновения резонанса могут стать причиной разлада работы механизма, его разрушение, а иногда и опасных аварий. Статистика свидетельствует, что около 80 % разрушений и аварий в машиностроении следствием недопустимых резонансных колебаний. Поэтому инженеры стремятся так конструировать ту или другую установку, машину или сооружение, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни в установке или машине, ни в ее отдельных частях.

Вредные проявления резонанса приходится одолевать путем обработки металлов резанием. За определенным режимом резания на металлорежущих станках возбуждаются колебание инструмента и обрабатываемой детали, которая есть вредным для станков, и для обрабатываемых изделий. Если не отстранить причину возникновения этих колебаний, то ухудшается качество обработки деталей, точность изготовления изделий, быстрее снашивается станок и т.п..

В строительном деле также много внимания уделяют предотвращению возникновения резонанса. Здания, в которых установленные быстроходные машины, двигатели и верстать, фундаменты и перекрытия их, должны быть сооруженные так, чтобы исключить возможность возбуждения колебаний с частотой, которая равняется или близкая к частоте колебаний машины.

Чрезвычайно важным есть предотвращение возникновения резонанса во время конструирования и эксплуатации всех видов современного транспорта. Так, например, собственная частота колебаний корпуса теплохода или крыльев самолета должны существенно отличаться от частоты колебаний, которые могут быть возбуждены обращениям колеса турбины, гребного винта или пропеллера. Известные случаи, когда приходилось перестраивать гигантские океанские лайнеры лишь потому, что частота собственных колебаний корпуса корабля совпадала с частотой изменений силы, которая возникала во время работы двигателя.

Существуют два основных метода предотвращения резонанса:

А) обеспечение такого режима работы системы, в котором частота силы и собственная частота колебаний системы существенным образом отличаются по значению. Скажем, скорость обращения современных паровых турбин значительно превышает так называемую критическую скорость, которая отвечает резонансу;

б) увеличение затухания колебаний системы. Для этого увеличивают трение в системе, применяют специальные загасники колебаний, или демпферы.

Понятно, что явление резонанса имеет и полезное применение, когда необходимо достать в системе по возможности большие колебания (в музыкальных инструментах, громкоговорителях и т.п.). Человеческое ухо воспринимает звуки вследствие резонанса колебаний в ушной раковине. Особенно широкого явление резонанса используется в радиотехнике для усиления колебаний. Резонанс дает возможность отделить сигналы данной радиостанции от сигналов других, одновременно работающих радиостанция. С этими применениями резонанса вы ознакомитесь позднее.

Этот самый прибор может быть использован и для измерения частоты механических колебаний машины или механизма. Для этого следует прикрепить планку частотомера. К той части машины, колебание которой надо исследовать. Пластинка, частота собственных колебаний которой ближайшая к частоте колебаний машины, попадет в резонанс, и в пластинке возникнут значительные колебания, которые легко заметить.

К явлению резонанса удаются водители и пассажиры транспорта, который погряз в снегу или на мокрой грунтовой дороге. Каждый раз, когда не можно ожидать быстрое прибытие спасательных средств, они, раскачивая машину, стремятся прикладывать усилие в такт с собственной частотой колебаний машины при данных условиях, т.е. стремятся ввести колебание машины в резонанс, поскольку амплитуда колебаний при этом будет максимальной. В большинстве случаев это приносит успех и путешествие продлевается.

В результате изучения явления электрического резонанса мы выяснили, что данное явление стало фундаментально использоваться в начале XX века в изобретениях Николы Тесла. Изобретатель продемонстрировал дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса.

Строя мосты, инженеры принимали в расчет только давление веса переходящих по ним людей и перевозимых грузов. Но неожиданные катастрофы доказали, что при сооружении мостов нужно считаться еще с какими-то другими воздействиями на их балки.

Однажды по висячему мосту близ Анжера (Франция) проходил отряд солдат, которые четко отбивали шаг, ударяя одновременно то правой, то левой ногой по настилу. Под ударами ног мост слегка раскачивался, но вдруг оборвались поддерживающие цепи, и мост вместе с людьми рухнул в реку. Погибло более двухсот человек.

Общественное мнение было возмущено. Строителей моста обвиняли в небрежности расчетов, в недопустимой экономии металла. Инженеры недоумевали: что вызвало обрыв цепей моста, прослужившего уже несколько десятков лет?

Как всегда, начались и споры. Старые практики, не раздумывая долго, утверждали, будто цепи перержавели и не выдержали тяжести солдат.

Однако осмотр оборванных цепей не подтвердил этого объяснения. Металл не был глубоко поврежден ржавчиной. Поперечное сечение звеньев обеспечивало необходимый запас прочности.

Так и не удалось тогда найти причину обрушения моста.

Прошло несколько десятков лет, и подобная же катастрофа повторилась в Петербурге.

Кавалерийская часть переходила по Египетскому мосту через Фонтанку. Лошади, обученные ритмическому шагу, одновременно ударяли копытами. Мост слегка покачивался в такт ударам. Неожиданно оборвались цепи, поддерживающие мост, и он вместе с всадниками рухнул в реку.

Снова разгорелись забытые споры. Необходимо было разрешить загадочную причину подобных катастроф, чтобы они больше не повторялись. Ведь мосты были правильно рассчитаны. Цепи должны были выдержать в несколько раз больший груз, чем вес переходивших по мостам людей и лошадей.

Какие же силы разорвали звенья цепей?

Некоторые инженеры догадывались, что обрушение мостов связано с ритмичностью ударов о настил.

Но почему катастрофы случались с висячими мостами? Почему по обыкновенным, балочным мостам безопасно переходят воинские пехотные и кавалерийские части?

Ответ на эти вопросы могло дать только изучение действия толчков при различной конструкции моста.

Балку висячего моста можно сравнить с доской, положенной концами на опоры. Когда на ней подпрыгивает мальчик, доска изгибается то вверх, то вниз. Если попасть в такт этих колебаний, то ее размахи будут становиться все больше и больше, пока наконец доска не переломится.

Балки висячего моста также могут колебаться, хотя это менее заметно на глаз. Мост близ Анжера колебался с периодом около 1,5 секунды. Когда по нему шли солдаты, ритм их шагов случайно попал в такт собственных колебаний его балок. Незаметные размахи становились все больше. Наконец цепи не выдержали и разорвались.

Совпадение периода колебаний тела с промежутком между возбуждающими их толчками получило название резонанса.

Очень интересный опыт, иллюстрирующий явление резонанса, сделал в свое время еще Галилей. Подвесив тяжелый маятник, он стал дышать на него, стараясь, чтобы промежутки между выдыханиями воздуха приходились в такт с собственными колебаниями маятника. Каждый выдох производил совершенно незаметный толчок. Однако, постепенно накопляясь, действие этих толчков раскачало тяжелый маятник.

С явлением резонанса нередко встречаются в технике. Оно могло бы например, возникнуть при переезде поезда по балочному мосту. Когда колеса паровоза или вагонов встречают стыки рельсов, они производят толчок, передающийся балкам. В балках начинаются колебания определенной частоты. Если бы толчки попали в такт колебаний балок, то возник бы опасный резонанс.

Чтобы избежать этого явления, инженеры проектируют мосты так, чтобы период их собственных колебаний был очень короток. В этом случае промежуток времени, в течение которого Колесо пробегает от одного стыка к другому, больше периода колебаний балок, и резонанса? не бывает.

В результате резонанса может раскачаться и тяжело нагруженное судно во время даже слабого волнения.

Равновесие судна зависит от относительного положения центра тяжести и так называемого центра давления. Вода давит со всех сторон на, погруженную в нее часть корпуса. Все силы давления можно заменить одной равнодействующей. Она приложена к центру тяжести вытесненной воды и направлена прямо вверх. Точка приложения ее и есть центр давления. Обычно он лежит выше центра тяжести.

Так оно станет колебаться подобно маятнику. Это собственные колебания судна, возникающие под влиянием бортовых ударов волн. Если эти удары попадут в такт качки судна, то размахи судна будут все увеличиваться. Качка судна может стать опасной и даже послужить причиной его гибели.

Толстая стальная броня, которой была обшита надводная часть корпуса, тяжелые башни и мощные артиллерийские орудия слишком повысили центр тяжести. В первую же бурю броненосец сильно накренился, лег на бок, опрокинулся вверх килем и пошел ко дну. Лишь немногим из его команды удалось спастись.

Практически ответить на вопрос о резонировании или его применении могут не все. Именно поэтому в сегодняшнем материале будет рассказано, в чем заключается явление резонанса, каково применение резонанса в технике и какие виды резонанса существуют.

Зависимость амплитуды от частоты колебаний

Резонанс – что это такое

Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик системы колебаний на внешние силы, которые периодически воздействуют на систему. Проявляется это воздействие в резком увеличении амплитуды движений этих колебаний, когда частота внешней воздействующей силы совпадает с некоторыми, характерными для данной колебательной системы, частотами.

Важно! Суть резонирования заключается в резком увеличении амплитуды колебаний при совпадении значения частоты силы, воздействующей на систему извне, с собственной частотой колебаний этой системы.

Чтобы далее говорить о явлении резонирования, следует понять, что такое колебания и частота. Колебания – это процесс изменения состояний колебательной системы, который повторяется через определенные промежутки времени и происходит вокруг точки равновесия. В пример можно привести раскачивание на качелях. Произойти резонирование частот может только там, где есть колебательные движения. Причем совсем неважно, к какому именно виду относятся колебания: электрические, звука, механические.

Виды колебательных движений

Процесс колебаний характеризуют частота и амплитуда. Простыми словами, на примере качели можно сказать, что амплитуда – это высшая точка, которую они достигают. Частота колебаний отвечает за скорость достижения качелями этой точки.

Возвращаясь к примеру с качелями, можно сказать, что когда они раскачиваются, система колебаний совершает вынужденные колебания. Увеличить амплитуду этих колебаний можно путем воздействия на эту систему определенным образом. То есть, если толкать качели с определенной силой и в определенное время, то можно сильно раскачать их без применения больших усилий.

Это явление и будет называться резонансом: частота воздействий извне будет совпадать с частотой колебаний в системе, и вследствие этого будет увеличиваться амплитуда.

Резонирование напряжений в электроцепи

Как определяется резонанс

Принципы действия

Теперь ясно, что резонирование – это процесс возбуждения колебаний одного объекта колебаниями другого тела такой же частоты. Это явление присуще всему, что есть на планете. Это может быть человек или камень. Резонирование может возникать между всеми телами вне зависимости от их природы и устройства. Но есть одно условие – работа тела на одном виде энергии и на совпадающей частоте и гармонике.

Этот принцип соответствия и дает возможность происходить обменным энергетическим и информационным процессам, позволяя представителям живого и неживого производить общение друг с другом. Резонанс, который лежит в любом взаимодействии, способен разрушать и создавать, убивать и исцелять. Неизвестно, в какой области он проявляется более полно и сильно. Согласно физическим законам, в области чувств явление и принцип резонирования должны проявляться сильнее, так как именно в этой области несущими сигнал являются более короткие волны, обладающие более высокой энергией.

Вхождение в резонанс или антирезонанс с тем или иным объектом, процессом или телом на уровне действий и ощущений может способствовать или препятствовать исходу того или иного события любого масштаба (локального и глобального). Это могут быть и природные катастрофы, и техногенные аварии.

Типы резонанса

В физике существует большое количество видов резонанса. Все они чем-то схожи и чем-то различны, а именно – своими признаками и природой появления. Среди них можно выделить:

механический и акустический резонансы;
электрический;
оптический;
орбитальные колебания;
атомный, частичный и молекулярный.

В следующих подразделах будет более подробно описан каждый из этих видов.

Механический и акустический

Наиболее популярным и очевидным механическим видом будут резонирующие качели, которые были упомянуты раньше. Если толкать их в определенные моменты с учетом их частоты, то размах их движения увеличится или затухнет, если силу не прикладывать.

Основаны механические резонаторы на преобразовании потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Если рассматривать маятник, то вся его энергия – потенциальная в состоянии покоя. Она преобразуется в кинетическую, когда он проходит нижнюю точку на своей максимальной скорости.

Важно! Некоторые механические системы способны запасать потенциальную энергию и использовать ее в различных формах. В пример можно привести пружину, которая запасет сжатие, являющееся энергией связи атомов.

Акустический тип резонирования можно встретить в некоторых музыкальных инструментах по типу гитары, скрипки, пианино. Они имеют основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.

Кроме основной частоты, струны этих музыкальных инструментов обладают резонансом на высших гармонических колебаниях основной частоты. Если струну дернуть, то она начнет колебаться на всех частотах, которые присущи данному импульсу, но частоты, несовпадающие с резонансом, очень быстро затухнут, и человеческое ухо услышит только гармонические колебания, являющиеся нотами.

Акустические системы, микрофоны и громкоговорители не терпят резонанса отдельных частей своего корпуса, так как это снижает равномерность их амплитудно-частотной характеристики и ухудшает качество воспроизведения звуков.

Струны создают акустический резонанс

Резонанс электрический

В электронике резонанс также имеется. Им называется состояние или режим пассивной электроцепи, содержащей катушки и конденсаторы, при котором ее входное реактивное электросопротивление и проводимость будут нулевыми. Это означает, что при резонансе ток на входе в цепь, если он есть, будет совпадать по фазе с напряжением.

Колебательный контур

В электричестве резонирование достигается тогда, когда индукция и емкость реакции уравновешиваются. Это равенство и позволяет энергии производить циркуляцию между индуктивными элементами и их магнитным полем, и полем электрического типа в конденсаторе.

Сам механизм резонанса основан на том, что МП индуктивности создает электроток, который заряжает конденсатор, разрядка его и создает это магнитное поле. Простейшее устройство, основанное на этом взаимодействии, – колебательный контур, способный производить резонанс напряжений и токов.

Модель светового оптического резонирования

Оптический резонанс

И в оптическом диапазоне есть резонанс. Один из самых популярных его примеров – резонатор Фабри-Перо. Он образован несколькими зеркалами, между которыми устанавливается так называемая резонирующая стоячая волна. Кроме этого используются кольцевые системы резонирования с бегущей волной и микроскопические резонаторы со стоячими волнами.

Схема колебательного контура

Орбитальные колебания

Колебания в астрофизике представляют собой ситуации, когда есть два или более небесных объекта, которые имеют некоторые периоды обращения, соотносящиеся, как небольшие натуральные числа. В результате этого воздействия небесные объекты оказывают друг на друга постоянное гравитационное притяжение. Оно и производит стабилизацию их орбит.

Резонанс: атомный, частичный и молекулярный

Атомный резонанс – это поглощение электромагнитных волн ядрами атома, которое происходит, когда изменяется вектор его момента движения. Особенно часто АР проявляется в атомах, которые помещают в сильное магнитное поле. При этом на них должно воздействовать небольшое электромагнитное поле, характеризующееся радиочастотным диапазоном.

График ядерного магнитного резонанса

В этом области существует и теория резонанса. Согласно ей, химические соединения имеют электронное строение, а распределение электронов в молекулах вещества есть комбинация или резонанс структуры с различным строением.

Важно! Это означает, что структура молекулы описывается не только одной возможной структурной формулой, сочетанием (резонансом) других структур. Теория резонанса позволяет путем химической терминологии и классических формул визуализировать построение мат. модели волновой функции какой-либо сложной молекулы.

Где применяется резонанс, как он используется в технике

Механический резонанс используется в акустике для анализа звуков и при их усилении. В сооружениях и устройствах, которые подвергаются периодически изменяющимся нагрузкам, резонанс весьма опасен, ведь он способен вызвать их разрушение вследствие значительного возрастания амплитуды колебаний.

Так, например, подвижные элементы двигателя внутреннего сгорания по типу шатунов действуют на валы с периодически изменяющимися силовыми нагрузками. Их период неразрывно связан с угловой скоростью вращения валов. Они вызывают колебательные движения коленчатого вала и при скорости вращения, которая соответствует резонансу, могут привести вал в негодность.

Важно! Учитывать механическое резонирование важно еще и в электронной аппаратуре, так как она часто подвергается вибрациям и ударам.

В технических моментах резонирование играет как положительные, так и отрицательные роли, то есть оно может как навредить, так и создать прибор. Например, явление механического резонирования используется в технических приборах типа частотомеров для подсчета частоты колебаний. В них элементом чувствительности предстает резонатор, собственная частота которого легко изменяется. Положительные стороны резонанс дает и в акустике, оптике или радиотехнике.

Таким образом, эффект резонирования присущ огромному количеству объектов планеты. Вне зависимости от его определения, он всегда означает одно и то же: система, на которую производят воздействие, повышает свою амплитуду. Определять резонирование можно огромным количеством методов. Все они зависят от вида и природы взаимодействий.

Что такое резонанс

Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 году в работах, посвящённых исследованию маятников и музыкальных струн. В этой области итальянский физик сделал много открытий, которые послужили основой для дальнейшего изучения феномена.

Резонанс в физике — это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое воздействие извне, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой резкое увеличение амплитуды колебаний этой системы.

Иначе говоря, резонанс — это отклик на некий внешний раздражитель. Представьте, что на тело, находящееся в состоянии покоя или совершающее амплитудные движения определенной частоты, начал оказывать воздействие раздражитель извне с собственной амплитудой и частотой. Если эта внешняя сила просто выведет тело из равновесия, а затем перестанет действовать, то оно какое-то время станет колебаться около своего положения равновесия. Частота этих колебаний является собственной частотой колебаний тела. Если же движение внешнего раздражителя, выводящего тело из равновесия, совпадет с его частотой, то амплитуда тела станет увеличиваться.

Колебания — процесс изменения состояний системы, которые повторяются через определенные промежутки времени.

По отношению к качелям ваши движения являются внешней силой, которая вынуждает их подниматься выше. Причем сила воздействия не так важна. Даже небольшое движение внешней силы при совпадении с частотой системы, может увеличить ее амплитуду. Так, маленькому ребенку удается раскачать взрослого человека, подстроившись под движение качелей.

Частота колебаний измеряется в герцах (1 Гц) и обозначает количество колебаний в секунду. Например, частота колебаний в 20 Гц говорит о том, что тело совершает 20 колебаний в одну секунду.

Резонировать могут любые упругие физические тела — твердые, жидкие, газообразные. Главным условием резонанса является наличие у тела собственной резонансной частоты.

Виды резонанса

В физике выделяют механический и звуковой резонанс.

Механический резонанс — это абсолютное или неполное совпадение частоты собственных колебаний любой механической системы с частотой изменения электродинамической силы. Механический резонанс бывает полным, если частоты колебаний системы и внешней силы совпадают полностью, либо частичным, когда совпадение неполно. Он основан на переходе потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Наиболее известной резонансной системой являются качели, частоту которых можно рассчитать по формуле:

где g - это постоянная ускорения свободного падения, равная 9,8м/с2, а L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс.

Механические резонансные частоты имеют большое значение при строительстве различных сооружений. Совпадение колебания составных частей объекта с внешними силами может привести к резонансной катастрофе, поэтому при проектировании мостов, зданий, самолетов и других сооружений, инженеры всегда учитывают колебательные частоты ожидаемого движения.

Звуковой резонанс — это резонанс, вызванный звуковыми волнами. Это явление, при котором акустические системы усиливают звуковые волны. При этом частота этих волн совпадает с резонансной частотой системы. Акустический тип резонирования имеет основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.

Самым простым примером для понимания звукового резонанса является наблюдение за взаимодействием двух камертонов:

Подготовьте два камертона с совпадающими собственными частотами и поставьте их рядом, повернув их друг к другу отверстиями.
Удар резиновым молотком по одному из камертонов приводит его в колебание. Если затем приглушить его, соседний камертон издаст звук, отзывающийся на колебания первого.

Это феномен является следствием того, что волны, образованные первым камертоном, доходят до второго, возбуждая в нем вынужденные колебания. В итоге одинаковая частота камертонов приводит к резонансу.

Акустический резонанс — важный фактор, который учитывается музыкальными мастерами при создании инструментов. Звуковая волна ударяет по объекту с частотой, соответствующей резонансной части инструмента, что приводит к резонансу. В струнных инструментах резонаторами выступают деки, усиливающие звуки, которые издают струны. Звучание и тембр зависят не только он формы резонатора, но и от качества и вида древесины и даже состава лака, которым покрывают готовый инструмент.
Звучание человеческого голоса также отражается благодаря резонаторам в голосовом аппарате. Звучащим телом является воздух, ограниченный стенками дыхательного тракта. Звук отражается от полостей с твердыми стенками, усиливаясь в несколько раз. Эти полости называются резонаторами.

Плюсы и минусы резонансных явлений

Резонанс является одним из важнейших физический явлений, без которого невозможно представить человеческий мир. Но при этом он имеет как положительные, так и отрицательные последствия.

Плюсы:

в музыкальных инструментах придает неповторимое и уникальное звучание таким инструментам, как гитара, скрипка, виолончель и т.д;
применяется в устройствах, использующих радиоволны, таких как радиоприемник, телевизор, телефон;
используется во всех маятниковых механизмах, включая качели;
способ резонансного разрушения применяется для дробления горных пород — при движении дробимого материала силы инерции вызывают напряжение, вынуждающее колебаться материал;
используется в медицине (магнитно-резонансное обследование организма);
резонансный метод используется в элементах систем вибрационного и геомеханического мониторинга грунтовых сред.

Минусы:

необратимые разрушения сооружений во время землетрясения или под воздействием сейсмических волн;
разрушительные цунами, образованные от резонансных волн в результате землетрясения;
может стать причиной крушения мостов, где внешним раздражителем выступает просто сильный ветер;
авиационные двигатели могут вызывать резонансные колебания элементов самолета, приводя к неполадкам и крушениям;
вредное влияние на организм человека, например, при прослушивании очень громкой музыки в наушниках;
может стать причиной обрыва проводов.

Чтобы нейтрализовать или предотвратить вредное воздействие резонации, применяются специальные меры блокирования. Например, превентивное изменение частоты собственных колебаний.

Примеры резонансных явлений в жизни

В повседневной жизни мы нередко интуитивно применяем явление резонанса, даже не задумываясь о том, что используем правила физики. Например, когда застрявшую в яме машину понемногу раскачивают и начинают толкать в момент ее самостоятельного движения. Таким образом, повышается ее инерция и, следовательно, растет амплитуда колебаний.

Проявление музыкального резонанса можно легко обнаружить во взаимодействии с музыкальным инструментом. К примеру, пропев любую ноту над струнами открытого пианино, вы услышите, что инструмент откликается на пение.

Примером отрицательного резонанса является резкий рост амплитуды колебаний, способный разрушить мост под ногами людей. Подобное катастрофические крушение моста произошло около века назад в Петербурге, когда он начал разваливаться под ногами солдат. Поэтому, проходя по мосту, солдаты перестают маршировать стройным шагом, чтобы частота ударов сапог не могла совпасть с частотой колебания моста.

Еще один известный пример отрицательного воздействия на мост произошел в Америке в 1940 году. Двухкилометровый Такомский подвесной мост колебался и сгибался на ветру, что, в результате, привело к тому, что он разрушился во время очередной бури спустя четыре месяца эксплуатации.

Если вам интересно узнать о других необычных явлениях физики, обращайтесь к специалистам Феникс.Хэлп за быстрым и актуальным ответом.

Читайте также: