В чем заключается явление называемое резонансом

Резонанс

Резона́нс (фр.  resonance , от лат.  resono  — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность. Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн. [1] [2]

Содержание

Механика

Наиболее известная большинству людей механическая резонансная система — это обычные качели. Если вы будете подталкивать качели в соответствии с их резонансной частотой, размах движения будет увеличиваться, в противном случае движения будут затухать. Резонансную частоту такого маятника с достаточной точностью в диапазоне малых смещений от равновесного состояния, можно найти по формуле:

» width=»» height=»» />

где L — длина струны (в случае, если она закреплена с обоих концов). Скорость распространения волны по струне зависит от её натяжения T и массы на единицу длины ρ:

\over 2 L> = <\sqrt \over 2 L> = <\sqrt >» width=»» height=»» />,

где T — сила натяжения, ρ — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны.

Увеличение натяжения струны и уменьшение её массы (толщины) и длины увеличивает её резонансную частоту. Помимо основного резонанса, струны также имеют резонансы на высших гармониках основной частоты f, например, 2f, 3f, 4f, и т. д. Если струне придать колебание коротким воздействием (щипком пальцев или ударом молоточка), струна начнёт колебания на всех частотах, присутствующих в воздействующем импульсе (теоретически, короткий импульс содержит все частоты). Однако частоты, не совпадающие с резонансными, быстро затухнут, и мы услышим только гармонические колебания, которые и воспринимаются как музыкальные ноты.

Электроника

В электронных устройствах резонанс возникает на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие реакции системы уравновешены, что позволяет энергии циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем конденсатора.

Механизм резонанса заключается в том, что магнитное поле индуктивности генерирует электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в индуктивности — процесс, который повторяется многократно, по аналогии с механическим маятником.

Электрическое устройство, состоящее из ёмкости и индуктивности, называется колебательным контуром. Элементы колебательного контура могут быть включены как последовательно, так и параллельно. При достижении резонанса, импеданс последовательно соединённых индуктивности и ёмкости минимален, а при параллельном включении — максимален. Резонансные процессы в колебательных контурах используются в элементах настройки, электрических фильтрах. Частота, на которой происходит резонанс, определяется величинами (номиналами) используемых элементов. В то же время, резонанс может быть и вреден, если он возникает в неожиданном месте по причине повреждения, недостаточно качественного проектирования или производства электронного устройства. Такой резонанс может вызывать паразитный шум, искажения сигнала, и даже повреждение компонентов.

Приняв, что в момент резонанса индуктивная и ёмкостная составляющие импеданса равны, резонансную частоту можно найти из выражения

где  ; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах. Важно, что в реальных системах понятие резонансной частоты неразрывно связано с полосой пропускания, то есть диапазоном частот, в котором реакция системы мало отличается от реакции на резонансной частоте. Ширина полосы пропускания определяется добротностью системы.

В СВЧ электронике широко используются объёмные резонаторы, чаще всего цилиндрической или тороидальной геометрии с размерами порядка длины волны, в которых возможны добротные колебания электромагнитного поля на отдельных частотах, определяемых граничными условиями. Наивысшей добротностью обладают сверхпроводящие резонаторы, стенки которых изготовлены из сверхпроводника и диэлектрические резонаторы с модами шепчущей галереи.

Оптика

В оптическом диапазоне самым распространенным типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, образованный парой зеркал, между которыми в резонансе устанавливается стоячая волна. Применяются также кольцевые резонаторы с бегущей волной и оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи.

Акустика

Резонанс — один из важнейших физических процессов, используемых при проектировании звуковых устройств, большинство из которых содержат резонаторы, например, струны и корпус скрипки, трубка у флейты, корпус у барабанов.

Астрофизика

Орбитальный резонанс в небесной механике — это ситуация, при которой два (или более) небесных тела имеют периоды обращения, которые относятся как небольшие натуральные числа. В результате эти небесные тела оказывают регулярное гравитационное влияние друг на друга, которое может стабилизировать их орбиты.

Резонансный метод разрушения льда

alt=»Silk-film.png» width=»16″ height=»16″ />Внешние видеофайлы
alt=»Silk-film.png» width=»16″ height=»16″ />	Видео-клип, демонстрирующий резонансный метод разрушения ледяного покрова

Известно, что при движении нагрузки по ледяному покрову развивается система изгибных гравитационных волн (ИГВ). Это сочетание изгибных колебаний пластины льда и связанных с ними гравитационных волн в воде. Когда скорость нагрузки близка к минимальной фазовой скорости от ИГВ, вода прекращает поддержку ледяного покрова и поддержка осуществляется только упругими свойствами льда. Амплитуда ИГВ резко возрастает, и с достаточной нагрузкой, начинается разрушения. Потребляемая мощность в несколько раз ниже (в зависимости от толщины льда) по сравнению с ледоколами и ледокольными навесными оборудованиями. Этот метод разрушения льда известен как резонансный метод разрушения льда [3] [4] Ученый Козин, Виктор Михайлович получил экспериментальные теоретические кривые, которые показывают возможности своего метода [5] .

В чем заключается явление, называемое резонансом?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Определение явления резонанса — в чем заключается

В переводе с латинского слово «резонанс» буквально означает «откликаюсь». Он представляет собой физическое явление, при котором собственное колебательное движение становится вынужденным, постоянно увеличивая свою амплитуду из-за воздействия окружающей среды.

Проще говоря, резонанс — это реакция на определенный стимул извне. Это синхронизация частоты колебаний (количества колебаний в секунду) конкретной системы и внешних сил, действующих на нее, что приводит к увеличению амплитуды колебаний системы.

Резонанс можно описать следующим образом:

• представьте, что определенное физическое тело находится в состоянии абсолютного покоя или совершает движения с определенной амплитудой и частотой;
• на это тело внезапно воздействует внешняя сила, имеющая свою собственную амплитуду и частоту;
• если частоты тела и внешние силы совпадают, то амплитуда тела будет расти.

Например, все знают, как работает «качели». Сначала вы поднимаете ноги над землей, а затем качели начинают двигаться вперед и назад. Если вы прекратите движение ногами и телом, качели через некоторое время остановятся.

Если, однако, вы подстроитесь под движение всем телом (не быстрее и не медленнее), то амплитуда колебаний начнет расти сама по себе. В этом случае вы или ваши движения — это внешнее влияние, мощная сила, с которой колебания взлетают выше.

Даже малые внешние воздействия могут увеличить скорость движения этой системы несколько раз при совпадении частот. Если же частота системы и внешних сил не совпадает, то речь идет о диссонансе.

Слово «диссонанс» означает «несоответствие и непоследовательность».

Возьмем к примеру качели: если вы дергаете их в произвольном направлении или противоположно их ходу, то движение качелей скоро прекратится.

Опасность и польза явления

На первый взгляд, резонанс — полезное явление, которое помогает нам в различных аспектах жизни. Например, он успешно используется, когда автомобиль застрял колесами в грязи или снегу, и не может двигаться. Раскачивание автомобиля назад и вперед помогает выехать.

Но это физическое явление имеет и негативную сторону. У архитекторов есть термин «Такомский мост»: название объекта, при строительстве которого не был учтен эффект вынужденного механического резонанса. В результате центральный пролет моста был разрушен 7 ноября 1940 года при силе ветра около 65 км/ч, который и стал причиной резонанса. Ветер усилил колебания конструкции, что привело к трагедии. После этого инцидента технологии строительства мостов кардинально изменились.

Известен еще один печальный случай с мостом, который рухнул, когда по нему шел отряд солдат. Солдаты маршировали в ногу, создавая мощную вибрацию, совпадающую с вибрацией конструкции, и тем самым раскачивая его. С тех пор появилась новая команда «не в ногу!», которой командиры пользуются до сих пор, когда большая группа солдат пересекает висячий мост.

Явление резонанса также необходимо учитывать в строительных блоках, антеннах, высотных опорах — во всем, что может войти в резонанс воздушным потоком.

Определение, как связан с добротностью

В колебательной системе тела можно измерить скорость отклика — значение, называемое добротностью, представляющее скорость реакции на действие внешних сил.

Разные показатели этого значения приводят к разным последствиям:

• при низком уровне добротности (или ответа) существующая система не может долго выдерживать вынужденные колебания и будет постепенно возвращать свои собственные колебания;
• высокая добротность в некоторых случаях может быть опасной, так как интенсивный резонанс обязательно приводит к разрушению физического тела, на которое воздействуют извне.

К каким колебаниям применимо понятие

Понятие резонанса используется только для вынужденных колебаний.

Виды и примеры резонанса

Явление резонанса связано с физикой, так как оно было открыто и первоначально описывало только физические явления.

Однако сегодня эта концепция применяется в различных сферах жизни.

В этом отношении можно выделить различные виды:

1. Механические — вышеупомянутые качели, звон «языкового» колокола, резонанс моста от проходящего поезда или солдат, идущих по нему «в ногу» и т.д.
2. Акустический — примером может быть использование акустического резонанса, используемого для игры на музыкальных инструментах (например: гитаре, балалайке, домре). Звук струны отражается от тела музыкального инструмента эхом, который приводит к его усилению. Таким образом, качество звучания напрямую зависят от качества материала, из которого изготавливается инструмент.
3. Частота электрического совпадения внешнего напряжения с частотой собственных колебаний в электрической цепи, по которой протекает ток.
4. Общественность — четкая реакция общественности на событие или ситуацию. Речь идет о реакции, которая оказалась похожей у большинства людей. Например, пенсионная реформа 2018 года вызвала громкий, резкий и негативный резонанс среди граждан России.
5. Когнитивный резонанс — совпадение мнений и взглядов. Например, при знакомстве с человеком возникло позитивное впечатление о нем. Почему? Скорее всего, в разговоре вы нашли много общего с ним, его ценности и мысли были близки, так что симпатия была вызвано резонансом (совпадением). В философском термине это явление означает единство двух душ в чувственной среде.

Сотовые телефоны, микроволновая печь, телевизор, горное эхо, звонкое пение в ванной — явление резонанса присутствует повсюду.

Резонанс.

Явление резонанса заключается в том, что амплитуда устано­вившихся вынужденных колебаний достигает наибольшего зна­чения, когда частота вынуждающей силы равна собственной час­тоте колебательной системы.

Отличительной особенностью вынужденных колебаний явля­ется зависимость их амплитуды от частоты изменения внешней силы. Для изучения этой зависимости можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке:

На кривошипе с ручкой укреплен пружинный маятник. При равномерном вращении руч­ки на груз через пружину передается действие периодически изменяющейся силы. Изменяясь с частотой, равной частоте враще­ния ручки, эта сила заставит груз совершать вынужденные колебания. Если вращать ручку кривошипа очень медленно, то груз вместе с пружиной будет перемещаться вверх и вниз так же, как и точка подвеса О. Амплитуда вынужденных колебаний при этом будет невелика. При более быстром вращении груз начнет колебаться сильнее, и при частоте вращения, равной собственной частоте пружинного маятника (ω = ω_соб), амплитуда его колебаний достигнет максимума. При дальнейшем увеличении частоты вра­щения ручки амплитуда вынужденных колебаний груза опять станет меньше. Очень быстрое вращение ручки оставит груз почти неподвижным: из-за своей инертности пружинный маятник, не успевая следовать изменениям внешней силы, будет просто дро­жать на месте.

Явление резонанса можно продемонстрировать и с нитяными маятниками. Подвесим на рейке массивный шар 1 и несколько ма­ятников, имеющих нити разной длины. Каждый из этих маятников имеет свою собственную частоту колебаний, которую можно определить, зная длину нити и ускорение свободного падения.

Теперь, не трогая легких маятников, выведем шар 1 из положения равновесия и отпустим. Качания массивного шара вызовут периодические колебания рейки, вследствие которых на каждый из легких маятников начнет действовать периодически изменяющаяся сила упругости. Частота ее изменений будет равна частоте колебаний шара. Под действием этой силы маятники начнут совершать вынужденные колебания. При этом маятники 2 и 3 останутся почти неподвижными. Маятники 4 и 5 будут колебаться с немного большей амплитудой. А у маятника б, имеющего такую же длину нити и, следовательно, собственную частоту колебаний, как у шара 1, амп­литуда окажется максимальной. Это и есть резонанс.

Резонанс возникает из-за того, что внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями тела, все время совершает положительную работу. За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается, и амплитуда колебаний возрастает.

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при ω = ω_соб называется резонансом.

Изменение амплитуды колебаний в зависимости от частоты при одной и той же амплитуде внешней силы, но при различных коэффициентах трения и, изображено на рисунке ниже, где кривой 1 соответствует минималь­ное значение и, кривой 3 — максимальное.

Из рисунка видно, что о резонансе имеет смысл говорить, если зату­хание свободных колебаний в системе мало. Иначе амплитуда вынужден­ных колебаний при ω = ω₀ мало отличается от амплитуды колебаний при других частотах.

Явление резонанса в жизни и в технике.

Явление резонанса может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Известно, например, что тяжелый «язык» большого колокола может раскачать даже ребенок, но при условии, что будет тянуть за веревку в такт со свободными колебаниями «языка».

На применении резонанса основано действие язычкового частотомера. Этот прибор представляет собой набор укрепленных па общем основании упругих пластин различной длины. Собствен­ная частота каждой пластины известна. При контакте частотомера с колебательной системой, частоту которой нужно определить, с наибольшей амплитудой начинает колебаться та пластина, частота которой совпадает с измеряемой частотой. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту колебаний системы.

С явлением резонанса можно встретиться и тогда, когда это совершенно нежелательно. Так, на­пример, в 1750 г. близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи ко­лебаний моста резко увеличились (наступил резонанс), и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 г. по той же причине обрушился подвесной мост около Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 г. из-за резонанса разрушился Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу», идти не строевым, а вольным шагом.

Если же через мост проезжает поезд, то, чтобы избежать резонанса, он проходит его либо на медленном ходу, либо, наоборот, на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

Собственной частотой обладает и сам вагон (колеблющийся на своих рессорах). Когда частота ударов его колес на стыках рельсов оказывается ей равной, вагон начинает сильно раскачиваться.

Явление резонанса встречается не только на суше, но и в море, и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре разви­тия авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.