Явище резонансу у фізиці

Поняття «резонансу», яке виникло для позначення одного з найважливіших явищ у фізиці, міцно увійшло у повсякденне вживання. Багатьом знайомі такі розхожі фрази як «суспільний резонанс» чи «резонансна риса», проте мало хто знає, яке початкове значення терміна.

Що таке резонанс

Явище резонансу вперше було описано Галілео Галілеєм у 1602 році у роботах, присвячених дослідженню маятників та музичних струн. У цій галузі італійський фізик зробив багато відкриттів, які стали основою для подальшого вивчення феномену.

Резонанс у фізиці — це частотно-виборчий відгук коливальної системи на періодичну дію ззовні, що виявляється у синхронізації частот коливань системи з частотою зовнішнього впливу, що тягне за собою різке збільшення амплітуди коливань цієї системи.

Інакше кажучи, резонанс — це відгук на зовнішній подразник. Уявіть, що на тіло, що знаходиться в стані спокою або амплітудні руху певної частоти, почав впливати подразник ззовні з власною амплітудою і частотою. Якщо ця зовнішня сила просто виведе тіло з рівноваги, а потім перестане діяти, воно якийсь час стане коливатися біля свого положення рівноваги. Частота цих коливань є частотою коливань тіла. Якщо ж рух зовнішнього подразника, що виводить тіло з рівноваги, збігається з його частотою, то амплітуда тіла збільшуватиметься.

Щоб спростити розуміння явища, наприклад зазвичай наводять механізм катання на гойдалках.Якщо після розгойдування, сидячи на гойдалках, не втручатися в процес, то через пару хвилин вони зупиняться.

Коливання - Процес зміни станів системи, які повторюються через певні проміжки часу.

Стосовно гойдалок ваші рухи є зовнішньою силою, яка змушує їх підніматися вище. Причому сила впливу не така важлива. Навіть невеликий рух зовнішньої сили при збігу з частотою системи може збільшити її амплітуду. Так, маленькій дитині вдається розгойдати дорослу людину, підлаштовуючись під рух гойдалок.

Частота коливань вимірюється у герцах (1 Гц) та позначає кількість коливань на секунду. Наприклад, частота коливань 20 Гц говорить про те, що тіло робить 20 коливань в одну секунду.

Резонувати можуть будь-які пружні фізичні тіла – тверді, рідкі, газоподібні. Основною умовою резонансу є наявність у тіла своєї резонансної частоти.

Види резонансу

У фізиці виділяють механічний та звуковий резонанс.

Механічний резонанс — це абсолютний чи неповний збіг частоти власних коливань будь-якої механічної системи із частотою зміни електродинамічної сили. Механічний резонанс буває повним, якщо частоти коливань системи та зовнішньої сили збігаються повністю, або частковим, коли збіг неповно. Він заснований на переході потенційної енергії в кінетичну та назад.

Найбільш відомою резонансною системою є гойдалка, частоту яких можна розрахувати за формулою:

де g - це постійна прискорення вільного падіння, що дорівнює 9,8 м/с2, а L - Довжина від точки підвішування маятника до центру його мас.

Механічні резонансні частоти мають значення при будівництві різних споруд. Збіг коливання складових частин об'єкта із зовнішніми силами може призвести до резонансної катастрофи, тому при проектуванні мостів, будівель, літаків та інших споруд інженери завжди враховують коливальні частоти очікуваного руху.

Звуковий резонанс це резонанс, спричинений звуковими хвилями. Це явище, у якому акустичні системи посилюють звукові хвилі. У цьому частота цих хвиль збігається з резонансною частотою системи. Акустичний тип резонування має основну резонансну частоту, яка залежить від довжини, маси та сили натягу струн.

Найпростішим прикладом для розуміння звукового резонансу є спостереження за взаємодією двох камертонів:

1. Підготуйте два камертони з власними частотами, що збігаються, і поставте їх поруч, повернувши їх один до одного отворами.
2. Удар гумовим молотком по одному з камертонів приводить його в вагання. Якщо потім приглушити його, сусідній камертон видасть звук, що відгукнеться на коливання першого.

Цей феномен є наслідком того, що хвилі, утворені першим камертоном, сягають другого, збуджуючи в ньому вимушені коливання. У результаті однакова частота камертонів призводить до резонансу.

Акустичний резонанс — важливий чинник, що враховується музичними майстрами під час створення інструментів. Звукова хвиля вдаряє по об'єкту з частотою, яка відповідає резонансній частині інструмента, що призводить до резонансу.У струнних інструментах резонаторами виступають деки, що посилюють звуки, що видають струни. Звучання і тембр залежать не тільки від форми резонатора, але й від якості та виду деревини і навіть складу лаку, яким покривають готовий інструмент.
Звучання людського голосу також відбивається завдяки резонаторам у голосовому апараті. Тілом, що звучить, є повітря, обмежене стінками дихального тракту. Звук відбивається від порожнин із твердими стінками, посилюючись у кілька разів. Ці порожнини називаються резонаторами.

Плюси та мінуси резонансних явищ

Резонанс є одним із найважливіших фізичних явищ, без якого неможливо уявити людський світ. Але при цьому вона має як позитивні, так і негативні наслідки.

Плюси:

• у музичних інструментах надає неповторне та унікальне звучання таким інструментам, як гітара, скрипка, віолончель тощо;
• застосовується у пристроях, що використовують радіохвилі, таких як радіо, телевізор, телефон;
• використовується у всіх маятникових механізмах, включаючи гойдалки;
• спосіб резонансного руйнування застосовується для дроблення гірських порід - при русі дробного матеріалу сили інерції викликають напругу, що змушує матеріал коливатися;
• використовується у медицині (магнітно-резонансне обстеження організму);
• резонансний метод використовується в елементах систем вібраційного та геомеханічного моніторингу ґрунтових середовищ.

Мінуси:

• незворотні руйнування споруд під час землетрусу або під впливом сейсмічних хвиль;
• руйнівні цунамі, утворені від резонансних хвиль внаслідок землетрусу;
• може стати причиною катастрофи мостів, де зовнішнім подразником виступає просто сильний вітер;
• авіаційні двигуни можуть викликати резонансні коливання елементів літака, призводячи до неполадок та аварії;
• шкідливий вплив на організм людини, наприклад при прослуховуванні дуже гучної музики в навушниках;
• може спричинити обрив проводів.

Щоб нейтралізувати або запобігти шкідливому впливу резонації, застосовуються спеціальні заходи блокування. Наприклад, превентивна зміна частоти власних коливань.

Приклади резонансних явищ у житті

У повсякденному житті ми часто інтуїтивно застосовуємо явище резонансу, навіть не замислюючись про те, що використовуємо правила фізики. Наприклад, коли машину, що застрягла в ямі, потроху розгойдують і починають штовхати в момент її самостійного руху. Таким чином, підвищується її інерція і, отже, зростає амплітуда коливань.

Прояв музичного резонансу можна легко виявити у взаємодії з музичним інструментом. Наприклад, заспівавши будь-яку ноту над струнами відкритого піаніно, ви почуєте, що інструмент відгукується на спів.

Прикладом негативного резонансу є різке зростання амплітуди коливань, здатне зруйнувати міст під ногами людей. Подібна катастрофічна аварія мосту сталася близько століття тому в Петербурзі, коли він почав розвалюватися під ногами солдатів. Тому, проходячи мостом, солдати перестають марширувати струнким кроком, щоб частота ударів чобіт не могла збігтися з частотою коливання моста.

Ще один відомий приклад негативного впливу на міст стався в Америці у 1940 році. Двокілометровий Такомський підвісний міст вагався і згинався на вітрі, що призвело до того, що він зруйнувався під час чергової бурі через чотири місяці експлуатації.

Якщо вам цікаво дізнатися про інші незвичайні явища фізики, звертайтеся до фахівців Фенікс.Хелп за швидкою та актуальною відповіддю.

Резонанс у фізиці

Явище резонансу полягає в тому, що амплітуда встановилися вимушених коливань досягає найбільшого значення, коли частота примусової сили дорівнює своїй частоті коливальної системи.

Відмінною особливістю вимушених коливань є залежність їхньої амплітуди від частоти зміни зовнішньої сили. Для вивчення цієї залежності можна скористатися настановою, зображеною на рис. 59. На кривошипі з ручкою укріплений пружинний маятник. При рівномірному обертанні ручки на вантаж через пружину передається дія сили, що періодично змінюється. Змінюючись із частотою, що дорівнює частоті обертання ручки, ця сила змусить вантаж здійснювати вимушені коливання. Якщо обертати ручку кривошипа дуже повільно, то вантаж разом із пружиною буде переміщатися вгору і вниз так само, як і точка підвісу. Амплітуда вимушених вагань при цьому буде невеликою. При більш швидкому обертанні вантаж почне сильніше коливатися, і при частоті обертання, що дорівнює своїй частоті пружинного маятника, амплітуда його коливань досягне максимуму. При подальшому збільшенні частоти обертання ручки амплітуда вимушених коливань вантажу знову поменшає.
Резонанс виникає через те, що зовнішня сила, діючи в такт із вільними коливаннями тіла, постійно робить позитивну роботу. За рахунок цієї роботи енергія тіла, що коливається, збільшується, і амплітуда коливань зростає.
Різке зростання амплітуди вимушених коливань називається резонансом.

Зміна амплітуди коливань залежно від частоти за однієї й тієї ж амплітуді зовнішньої сили, але за різних коефіцієнтах тертя зображено на рис. 60 де кривою 1 відповідає мінімальне значення , кривою 3 - максимальне.
З рис. 60 видно, що про резонанс є сенс говорити, якщо згасання вільних коливань у системі мало. Інакше амплітуда вимушених коливань мало відрізняється від амплітуди коливань при інших частотах.

Явище резонансу може бути вкрай небезпечним. Так, наприклад, у 1750 р. поблизу міста Анжера у Франції через ланцюговий міст завдовжки 102 м йшов у ногу загін солдатів. Частота їхніх кроків збіглася із частотою вільних коливань моста. Через це розмахи коливань моста різко збільшилися (настав резонанс), і ланцюги обірвалися. Міст обрушився у річку. У 1830 з тієї ж причини обрушився підвісний міст біля Манчестера в Англії.

Тепер для запобігання подібним випадкам військовим частинам під час переходу через міст наказують «збити ногу», йти не стройовим, а вільним кроком.

Якщо ж через міст проїжджає поїзд, те щоб уникнути резонансу, він проходить його або на повільному ходу, або, навпаки, на максимальній швидкості (щоб частота ударів коліс об стики рейок не виявилася рівною власної частоті моста).

Явище резонансу зустрічається як на суші, а й у морі, і навіть у повітрі. Приміром, при деяких частотах гребного валу в резонанс входили цілі кораблі. На зорі розвитку авіації деякі авіаційні двигуни викликали настільки сильні резонансні коливання частин літака, що він розвалювався повітря.

Ця лекція взята зі сторінки лекцій з усіх тем предмета фізика:

Можливо, ці сторінки вам будуть корисні: