Резонанс является одним из интереснейших физических явлений. И чем глубже становятся наши познания об окружающем нас мире, тем явственнее прослеживается роль этого явления, в различных сферах нашей жизни — в музыке, медицине, радиотехнике и даже на детской площадке.
Каков же смысл этого понятия, условия его возникновения и проявление?
Вспомним простое и приятное развлечение — раскачивание на подвесных качелях.
Прикладывая в нужный момент совсем незначительное усилие, ребёнок может раскачивать взрослого. Но для этого частота воздействия внешней силы должна совпасть с собственной частотой раскачивания качелей. Только в этом случае амплитуда их колебаний заметно вырастет.
Итак, резонанс это явление резкого возрастания амплитуды колебаний тела, когда частота его собственных колебаний совпадет с частотой действия внешней силы.
Прежде всего, разберемся в понятиях — собственные и вынужденные колебания. Собственные — присущи всем телам — звёздам, струнам, пружинам, ядрам, газам, жидкостям… Обычно они зависят от коэффициента упругости, массы тела и других его параметров. Такие колебания возникают под воздействием первичного толчка, осуществляемой внешней силой. Так, чтобы привести в колебания груз, подвешенный на пружине, достаточно оттянуть его на некоторое расстояние. Возникшие при этом собственные колебания будут затухающими, поскольку энергия колебаний затрачивается на преодоление сопротивления самой колебательной системы и окружающей среды.
Вынужденные колебания возникают при воздействии на тело сторонней (внешней) силы с определенной частотой. Эту стороннюю силу ещё называют вынуждающей силой. Очень важно, чтобы эта внешняя сила действовала на тело в нужный момент и в нужном месте. Именно она восполняет потери энергии и увеличивает её при собственных колебаниях тела.
Очень ярким примером проявления резонанса является несколько случаев обрушения мостов, когда по ним строевым шагом проходила рота солдат.
Чеканный шаг солдатских сапог совпал с собственной частотой колебаний моста. Он стал колебаться с такой амплитудой, на которую его прочность не была рассчитана и… развалился. Тогда и родилась новая воинская команда «…не в ногу». Она звучит, когда пешая или конная рота солдат проходит по мосту.
Если вам случалось путешествовать на поезде, то самые внимательные из вас обратили внимание на заметные покачивания вагонов, когда его колеса попадают на стыки рельс. Это так вагон откликается, т. е. резонирует с колебаниями, возникающими при преодолении этих зазоров.
Корабельные приборы снабжают массивными подставками или подвешивают на мягких пружинах, чтобы избежать резонанса этих корабельных деталей с колебаниями корабельного корпуса. При запуске корабельных двигателей судно так может войти в резонанс с их работой, что это грозит его прочности.
Приведенных примеров достаточно, чтобы убедиться в необходимости учитывать резонанс. Но мы иногда и используем механический резонанс, не замечая этого. Выталкивая машину, застрявшую в дорожной грязи, водитель и его добровольные помощники вначале раскачивают её, а затем дружно толкают вперёд по направлению движения.
Раскачивая тяжелый колокол, звонари тоже неосознанно используют это явление.
Они ритмично в такт с собственными колебаниями языка колокола, дергают за прикрепленный к нему шнур, всё увеличивая амплитуду колебаний.
Существуют приборы, измеряющие частоту электрического тока. Их действие основано на использовании резонанса.
На страницах нашего сайта мы познакомили вас с важнейшими сведениями о звуке. Продолжим наш разговор, дополнив его примерами проявления акустического или звукового резонанса.
Для чего у музыкальных инструментов, особенно у гитары и скрипки такой красивый корпус? Неужели лишь для того, чтобы красиво выглядеть? Оказывается, нет. Он нужен для правильного звучания, всей издаваемой инструментом звуковой палитры. Звук, издаваемый самой гитарной струной достаточно тихий. Чтобы его усилить струны, располагают поверх корпуса, имеющего определенную форму и размеры. Звук, попадая внутрь гитары, резонирует с различными частями корпуса и усиливается.
Сила и чистота звука зависит от качества дерева, и даже от лака, которым покрыт инструмент.
Имеются резонаторы и в нашем голосовом аппарате. Их роль выполняют самые различные воздушные полости, окружающие голосовые связки. Они-то усиливают звук, формируют его тембр, усиливая именно те колебания, частота которых близка к их собственной. Умение использовать резонаторы своего голосового аппарата — это одна из сторон таланта певца. Им в совершенстве владел Ф.И. Шаляпин.
Рассказывают, что когда этот великий артист пел во всю мощь, гасли свечи, тряслись люстры и трескались гранёные стаканы.
Т.е. явление звукового резонанса играет громадную роль в восхитительном мире звуков.
Не миновало это явление и электрические цепи. Если частота изменения внешнего напряжения совпадет с частой собственных колебаний цепи, то может возникнуть электрический резонанс. Как всегда он проявляется в резком возрастании и силы тока и напряжения в цепи. Это чревато коротким замыкание и выходом из строя приборов, включённых в цепь.
Однако именно резонанс позволяет нам настроиться на частоту определенной радиостанции. Обычно на антенну поступает множество частот от различных радиостанций. Вращая ручку настройки, мы меняем частоту приёмного контура радиоприёмника.
Когда одна из пришедших на антенну частот совпадет с этой частотой, тогда мы и услышим эту радиостанцию.
Между поверхностью Земли и ее ионосферой существует слой, в котором очень хорошо распространяются электромагнитные волны. Этот небесный коридор называют волноводом. Рождающиеся здесь волны могут несколько раз огибать Землю. Но откуда они берутся? Оказалось, что они возникают при разрядах молний.
Профессор Мюнхенского технического университета Шуман рассчитал их частоту. Выяснилось, что она равна 10 Гц. Но именно с таким ритмом происходят колебания человеческого мозга! Этот удивительный факт не мог быть простым совпадением. Мы живём внутри гигантского волновода, который своим ритмом управляет нашим организмом. Дальнейшие исследования подтвердили это предположение. Оказалось, что искажение волн Шумана, например, при магнитных бурях ухудшает состояние здоровья людей.
Т.е. для нормального самочувствия человека ритм важнейших колебаний человеческого организма должен резонировать с частотой волн Шумана.
Электромагнитный смог от работы бытовых и промышленных электроприборов искажают природные волны Земли, и разрушает наши тонкие взаимосвязи со своей планетой.
Законам резонанса подчинены все объекты Вселенной. Этим законам подчиняются даже взаимоотношения людей. Так, выбирая себе друзей, мы ищем себе подобных, с которыми нам интересно, с которыми находимся «на одной волне».
Автор: Драчёва Светлана Семёновна
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
При изучении механического резонанса в курсе общей физики используются демонстрационные опыты, суть которых состоит, как правило, в наблюдении вынужденных колебаний пружинного маят-ника. Однако, получить устойчивые колебания такого маятника в ин-тересующем интервале частот довольно трудно. Не удается, в частнос-ти, достаточно четко показать изменение фазовых соотношений меж-ду вынуждающей силой и смещением маятника при прохождении че-рез резонанс. Для демонстрации свойств механической колебательной систе-мы можно использовать несложную установку (рис 2). Упругая сталь-ная линейка 1 зажата на одном конце в держателе 2. На другом конце линейки приклеен небольшой керамический магнит 3. Вынужденные колебания свободного конца линейки возбуждаются с помощью элек-тромагнита 4, подключенного к генератору звуковой частоты 5. Ин-дикация колебаний линейки осуществляется с помощью пучка лазер-ного излучения, который отражается от зеркальца 7, приклеенного к линейке. Для сравнения фазы колебаний с фазой вынуждающей силы в установке производится сканирование лазерного пучка в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. Это ска-нирование осуществляется с помощью специального дефлектора. От-ражающее зеркальце 8 в нем приклеено эластичным клеем через лег-кие деревянные брусочки с одного конца к неподвижному ободу диф-фузора электродинамического громкоговорителя 9, а с другого - не-посредственно к диффузору. При подключении громкоговорителя к генератору последовательно с катушкой электромагнита колебания диффузора, происходящие с частотой и фазой вынуждающей силы, преобразуются в гармонические повороты зеркальца 8. Пучок света последовательно отражается от зеркал 7 и 8 и падает на удаленный экран с вертикальной шкалой. Колебания линейки вызывают движе-ние светового пятна на экране по вертикали, повороты зеркальца 8 - по горизонтали. В результате на экране образуется эллипс, ориента-ция осей которого зависит от соотношения фаз в колебаниях линейки и вынуждающей силы. Затухание в колебательной системе регулируе-тся погружением штырька 10, приклеенного к линейке, в кювету 11 с водой. Демонстрационный эксперимент начинается с показа резонанс-ных свойств колебательной системы. Перестройкой генератора изме-няется частота вынуждающей силы; на некоторой частоте ?p ампли-туда колебаний резко возрастает. Ширина резонансной линии опре-деляется как разность между частотами ?1 > ?p и??2????p, при кото-рых амплитуда колебаний составляет 0.7 от максимальной. Перехо-дные процессы нарастания и затухания колебаний в системе наблюда-ются при замыкании и размыкании цепи электромагнита. При этом обнаруживается зависимость характера процесса установления коле-баний от частоты вынуждающей силы. Если ? совпадает с резонанс-ной частотой (близкой при малом трении к частоте собственных коле-баний), то наблюдается монотонный во времени переходный процесс. Если же ? соответствует склону резонансной линии, то суперпозиция собственных и вынужденных колебаний приводит к переходному процессу, который графически описан на графике 1. Затем погружением штырька 10 в воду снижается добротность колебательной системы. Показывается, что это приводит к снижению резонансной частоты, уменьшению амплитуды колебаний и ушире-нию резонансной линии. При демонстрации переходных процессов обращается внимание на то, что при возрастании сопротивления сре-ды не только затухание, но и нарастание колебаний в системе проис-ходят быстрее. Для исследования фазовых соотношений между вынуждающей силой и деформацией линейки в цепь генератора последовательно с катушкой электромагнита включается громкоговоритель 9. В этом случае луч лазера совершает дополнительные колебания в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. При нас-тройке на резонанс световое пятно на экране описывает эллипс. Одна его ось расположена горизонтально, другая - вертикально. Это соот-ветствует разности фаз ? между вынуждающей силой и смещением, равной??/2. При снижении частоты колебаний в пределах резонанс-ной линии ось эллипса отклоняется от вертикали, что соответствует 0 ? /2. С ростом частоты ось эллипса отклоняется от вертикали в другую сторону: ? /2? ?.
Заключение.
Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин. Однако в ряде случаев резонанс - нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений. Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно уравновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную установку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей установке, ни в ее отдельных частях.
Литература.
1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.,физматгиз,1963.
2. Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика. -М., “Просвещение”, 1978.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М., “Просвещение”, 1987.
4. Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов. N1. -М., изд. МПГТУ. 1994.
www.ronl.ru
Демонстрация затухающих и вынужденных
механических колебаний.
При изучении механического резонанса в курсе общей физики используются демонстрационные опыты, суть которых состоит, как правило, в наблюдении вынужденных колебаний пружинного маят-ника. Однако, получить устойчивые колебания такого маятника в ин-тересующем интервале частот довольно трудно. Не удается, в частнос-ти, достаточно четко показать изменение фазовых соотношений меж-ду вынуждающей силой и смещением маятника при прохождении че-рез резонанс.
Для демонстрации свойств механической колебательной систе-мы можно использовать несложную установку (рис 2). Упругая сталь-ная линейка 1 зажата на одном конце в держателе 2. На другом конце линейки приклеен небольшой керамический магнит 3. Вынужденные колебания свободного конца линейки возбуждаются с помощью элек-тромагнита 4, подключенного к генератору звуковой частоты 5. Ин-дикация колебаний линейки осуществляется с помощью пучка лазер-ного излучения, который отражается от зеркальца 7, приклеенного к линейке. Для сравнения фазы колебаний с фазой вынуждающей силы в установке производится сканирование лазерного пучка в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. Это ска-нирование осуществляется с помощью специального дефлектора. От-ражающее зеркальце 8 в нем приклеено эластичным клеем через лег-кие деревянные брусочки с одного конца к неподвижному ободу диф-фузора электродинамического громкоговорителя 9, а с другого — не-посредственно к диффузору. При подключении громкоговорителя к генератору последовательно с катушкой электромагнита колебания диффузора, происходящие с частотой и фазой вынуждающей силы, преобразуются в гармонические повороты зеркальца 8. Пучок света последовательно отражается от зеркал 7 и 8 и падает на удаленный экран с вертикальной шкалой. Колебания линейки вызывают движе-ние светового пятна на экране по вертикали, повороты зеркальца 8 — по горизонтали. В результате на экране образуется эллипс, ориента-ция осей которого зависит от соотношения фаз в колебаниях линейки и вынуждающей силы. Затухание в колебательной системе регулируе-тся погружением штырька 10, приклеенного к линейке, в кювету 11 с водой.
Демонстрационный эксперимент начинается с показа резонанс-ных свойств колебательной системы. Перестройкой генератора изме-няется частота вынуждающей силы; на некоторой частоте wp ампли-туда колебаний резко возрастает. Ширина резонансной линии опре-деляется как разность между частотами w1 > wp и w2 < wp, при кото-рых амплитуда колебаний составляет 0.7 от максимальной. Перехо-дные процессы нарастания и затухания колебаний в системе наблюда-ются при замыкании и размыкании цепи электромагнита. При этом обнаруживается зависимость характера процесса установления коле-баний от частоты вынуждающей силы. Если w совпадает с резонанс-ной частотой (близкой при малом трении к частоте собственных коле-баний), то наблюдается монотонный во времени переходный процесс. Если же w соответствует склону резонансной линии, то суперпозиция собственных и вынужденных колебаний приводит к переходному процессу, который графически описан на графике 1.
Затем погружением штырька 10 в воду снижается добротность колебательной системы. Показывается, что это приводит к снижению резонансной частоты, уменьшению амплитуды колебаний и ушире-нию резонансной линии. При демонстрации переходных процессов обращается внимание на то, что при возрастании сопротивления сре-ды не только затухание, но и нарастание колебаний в системе проис-ходят быстрее.
Для исследования фазовых соотношений между вынуждающей силой и деформацией линейки в цепь генератора последовательно с катушкой электромагнита включается громкоговоритель 9. В этом случае луч лазера совершает дополнительные колебания в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. При нас-тройке на резонанс световое пятно на экране описывает эллипс. Одна его ось расположена горизонтально, другая — вертикально. Это соот-ветствует разности фаз j между вынуждающей силой и смещением, равной p/2. При снижении частоты колебаний в пределах резонанс-ной линии ось эллипса отклоняется от вертикали, что соответствует 0 < j <p/2. С ростом частоты ось эллипса отклоняется от вертикали в другую сторону: p /2< j < p.
Заключение.
Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин.
Однако в ряде случаев резонанс — нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений.
Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно уравновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную установку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей установке, ни в ее отдельных частях.
Литература.
1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. — М., физматгиз,1963.
2. Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика.
-М., “Просвещение”, 1978.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М.,
“Просвещение”, 1987.
4. Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов.
N1. -М., изд. МПГТУ. 1994.
www.ronl.ru
Демонстрация затухающих и вынужденных
механических колебаний.
При изучении механического резонанса в курсе общей физики используются демонстрационные опыты, суть которых состоит, как правило, в наблюдении вынужденных колебаний пружинного маят-ника. Однако, получить устойчивые колебания такого маятника в ин-тересующем интервале частот довольно трудно. Не удается, в частнос-ти, достаточно четко показать изменение фазовых соотношений меж-ду вынуждающей силой и смещением маятника при прохождении че-рез резонанс.
Для демонстрации свойств механической колебательной систе-мы можно использовать несложную установку (рис 2). Упругая сталь-ная линейка 1 зажата на одном конце в держателе 2. На другом конце линейки приклеен небольшой керамический магнит 3. Вынужденные колебания свободного конца линейки возбуждаются с помощью элек-тромагнита 4, подключенного к генератору звуковой частоты 5. Ин-дикация колебаний линейки осуществляется с помощью пучка лазер-ного излучения, который отражается от зеркальца 7, приклеенного к линейке. Для сравнения фазы колебаний с фазой вынуждающей силы в установке производится сканирование лазерного пучка в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. Это ска-нирование осуществляется с помощью специального дефлектора. От-ражающее зеркальце 8 в нем приклеено эластичным клеем через лег-кие деревянные брусочки с одного конца к неподвижному ободу диф-фузора электродинамического громкоговорителя 9, а с другого - не-посредственно к диффузору. При подключении громкоговорителя к генератору последовательно с катушкой электромагнита колебания диффузора, происходящие с частотой и фазой вынуждающей силы, преобразуются в гармонические повороты зеркальца 8. Пучок света последовательно отражается от зеркал 7 и 8 и падает на удаленный экран с вертикальной шкалой. Колебания линейки вызывают движе-ние светового пятна на экране по вертикали, повороты зеркальца 8 - по горизонтали. В результате на экране образуется эллипс, ориента-ция осей которого зависит от соотношения фаз в колебаниях линейки и вынуждающей силы. Затухание в колебательной системе регулируе-тся погружением штырька 10, приклеенного к линейке, в кювету 11 с водой.
Демонстрационный эксперимент начинается с показа резонанс-ных свойств колебательной системы. Перестройкой генератора изме-няется частота вынуждающей силы; на некоторой частоте wp ампли-туда колебаний резко возрастает. Ширина резонансной линии опре-деляется как разность между частотами w1 > wp и w2 < wp , при кото-рых амплитуда колебаний составляет 0.7 от максимальной. Перехо-дные процессы нарастания и затухания колебаний в системе наблюда-ются при замыкании и размыкании цепи электромагнита. При этом обнаруживается зависимость характера процесса установления коле-баний от частоты вынуждающей силы. Если w совпадает с резонанс-ной частотой (близкой при малом трении к частоте собственных коле-баний), то наблюдается монотонный во времени переходный процесс. Если же w соответствует склону резонансной линии, то суперпозиция собственных и вынужденных колебаний приводит к переходному процессу, который графически описан на графике 1.
Затем погружением штырька 10 в воду снижается добротность колебательной системы. Показывается, что это приводит к снижению резонансной частоты, уменьшению амплитуды колебаний и ушире-нию резонансной линии. При демонстрации переходных процессов обращается внимание на то, что при возрастании сопротивления сре-ды не только затухание, но и нарастание колебаний в системе проис-ходят быстрее.
Для исследования фазовых соотношений между вынуждающей силой и деформацией линейки в цепь генератора последовательно с катушкой электромагнита включается громкоговоритель 9. В этом случае луч лазера совершает дополнительные колебания в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. При нас-тройке на резонанс световое пятно на экране описывает эллипс. Одна его ось расположена горизонтально, другая - вертикально. Это соот-ветствует разности фаз j между вынуждающей силой и смещением, равной p/2. При снижении частоты колебаний в пределах резонанс-ной линии ось эллипса отклоняется от вертикали, что соответствует 0 < j <p/2. С ростом частоты ось эллипса отклоняется от вертикали в другую сторону: p /2< j < p.
Заключение.
Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин.
Однако в ряде случаев резонанс - нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений.
Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно уравновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную установку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей установке, ни в ее отдельных частях.
Литература.
1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.,физматгиз,1963.
2. Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика.
-М., “Просвещение”, 1978.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М.,
“Просвещение”, 1987.
4. Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов.
N1. -М., изд. МПГТУ. 1994.
superbotanik.net
Демонстрация затухающих и вынужденных
механических колебаний.
При изучении механического резонанса в курсе общей физики используются демонстрационные опыты, суть которых состоит, как правило, в наблюдении вынужденных колебаний пружинного маят-ника. Однако, получить устойчивые колебания такого маятника в ин-тересующем интервале частот довольно трудно. Не удается, в частнос-ти, достаточно четко показать изменение фазовых соотношений меж-ду вынуждающей силой и смещением маятника при прохождении че-рез резонанс.
Для демонстрации свойств механической колебательной систе-мы можно использовать несложную установку (рис 2). Упругая сталь-ная линейка 1 зажата на одном конце в держателе 2. На другом конце линейки приклеен небольшой керамический магнит 3. Вынужденные колебания свободного конца линейки возбуждаются с помощью элек-тромагнита 4, подключенного к генератору звуковой частоты 5. Ин-дикация колебаний линейки осуществляется с помощью пучка лазер-ного излучения, который отражается от зеркальца 7, приклеенного к линейке. Для сравнения фазы колебаний с фазой вынуждающей силы в установке производится сканирование лазерного пучка в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. Это ска-нирование осуществляется с помощью специального дефлектора. От-ражающее зеркальце 8 в нем приклеено эластичным клеем через лег-кие деревянные брусочки с одного конца к неподвижному ободу диф-фузора электродинамического громкоговорителя 9, а с другого — не-посредственно к диффузору. При подключении громкоговорителя к генератору последовательно с катушкой электромагнита колебания диффузора, происходящие с частотой и фазой вынуждающей силы, преобразуются в гармонические повороты зеркальца 8. Пучок света последовательно отражается от зеркал 7 и 8 и падает на удаленный экран с вертикальной шкалой. Колебания линейки вызывают движе-ние светового пятна на экране по вертикали, повороты зеркальца 8 — по горизонтали. В результате на экране образуется эллипс, ориента-ция осей которого зависит от соотношения фаз в колебаниях линейки и вынуждающей силы. Затухание в колебательной системе регулируе-тся погружением штырька 10, приклеенного к линейке, в кювету 11 с водой.
Демонстрационный эксперимент начинается с показа резонанс-ных свойств колебательной системы. Перестройкой генератора изме-няется частота вынуждающей силы; на некоторой частоте wp ампли-туда колебаний резко возрастает. Ширина резонансной линии опре-деляется как разность между частотами w1 > wp и w2 < wp, при кото-рых амплитуда колебаний составляет 0.7 от максимальной. Перехо-дные процессы нарастания и затухания колебаний в системе наблюда-ются при замыкании и размыкании цепи электромагнита. При этом обнаруживается зависимость характера процесса установления коле-баний от частоты вынуждающей силы. Если w совпадает с резонанс-ной частотой (близкой при малом трении к частоте собственных коле-баний), то наблюдается монотонный во времени переходный процесс. Если же w соответствует склону резонансной линии, то суперпозиция собственных и вынужденных колебаний приводит к переходному процессу, который графически описан на графике 1.
Затем погружением штырька 10 в воду снижается добротность колебательной системы. Показывается, что это приводит к снижению резонансной частоты, уменьшению амплитуды колебаний и ушире-нию резонансной линии. При демонстрации переходных процессов обращается внимание на то, что при возрастании сопротивления сре-ды не только затухание, но и нарастание колебаний в системе проис-ходят быстрее.
Для исследования фазовых соотношений между вынуждающей силой и деформацией линейки в цепь генератора последовательно с катушкой электромагнита включается громкоговоритель 9. В этом случае луч лазера совершает дополнительные колебания в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. При нас-тройке на резонанс световое пятно на экране описывает эллипс. Одна его ось расположена горизонтально, другая — вертикально. Это соот-ветствует разности фаз j между вынуждающей силой и смещением, равной p/2. При снижении частоты колебаний в пределах резонанс-ной линии ось эллипса отклоняется от вертикали, что соответствует 0 < j <p/2. С ростом частоты ось эллипса отклоняется от вертикали в другую сторону: p /2< j < p.
Заключение.
Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин.
Однако в ряде случаев резонанс — нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений.
Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно уравновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную установку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей установке, ни в ее отдельных частях.
Литература.
1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. — М., физматгиз,1963.
2. Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика.
-М., “Просвещение”, 1978.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М.,
“Просвещение”, 1987.
4. Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов.
N1. -М., изд. МПГТУ. 1994.
www.ronl.ru
Отличительной особенностью вынужденных колебаний является зависимость их амплитуды А от частоты ν изменения внешней силы. Для изучения этой зависимости можно воспользоваться уже знакомой нам установкой, изображенной на рисунке 36. 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 (ν= νсоб), амплитуда его колебаний достигнет максимума. При дальнейшем увеличении частоты вращения ручки амплитуда вынужденных колебаний груза опять станет меньше. А 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».
Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при ν = νcoб называется резонансом.
График зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты изменения внешней силы изображен на рисунке 38. Этот график называют резонансной кривой. Максимум этой кривой приходится на частоту ν, равную собственной частоте колебаний νсоб.
Явление резонанса можно продемонстрировать и с нитяными маятниками. Подвесим на рейке массивный шар 1 и несколько легких маятников, имеющих нити разной длины (рис. 39). 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 изгибания 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 мы увидим, что маятники 2 и 3 останутся почти неподвижными. Маятники 4 и 5 будут колебаться с немного большей амплитудой. А у маятника 6, имеющего такую же длину нити и, следовательно, собственную частоту колебаний, как у шара 1, амплитуда окажется максимальной. Это и есть резонанс.
Резонанс можно наблюдать и с помощью установки, изображенной на рисунке 40. Основание маятника метронома 1 соединяют нитью 3 с нитью маятника 2. Маятник в этом опыте качается с наибольшей амплитудой тогда, когда частота колебаний метронома («дергающего» за нить маятника) совпадает с частотой свободных колебаний этого маятника.
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.
Явление резонанса может играть как полезную, так и вредную роль.
Известно, например, что тяжелый язык большого колокола может раскачать даже ребенок, но лишь тогда, когда будет действовать на веревку в такт со свободными колебаниями языка.
На применении резонанса основано действие язычкового частотомера. Этот прибор представляет собой набор укрепленных на 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 резонансом 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 и так называемый Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.
Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу» и идти не строевым, а вольным шагом.
Если же через мост переезжает 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.
С резонансом можно встретиться не только на суше, но и в море и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах вращения 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.
1. Что такое резонанс? При каком условии он возникает? 2. Опишите опыты, в которых можно наблюдать явление резонанса. 3. Какую роль — полезную или вредную — играет резонанс в жизни людей? Приведите примеры.
phscs.ru
Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можете ли вы точно сказать, что такое резонанс?
Если ответ отскочил у вас от зубов, мы вами по-настоящему гордимся! Ну а если тема «резонанс в физике» вызывает вопросы, то советуем прочесть нашу статью, где мы подробно, понятно и кратко расскажем о таком явлении как резонанс.
Прежде, чем говорить о резонансе, нужно разобраться с тем, что такое колебания и их частота.
Колебания – процесс изменения состояний системы, повторяющийся во времени и происходящий вокруг точки равновесия.
Простейший пример колебаний — катание на качелях. Мы приводим его не зря, этот пример еще пригодится нам для понимания сути явления резонанса в дальнейшем.
Резонанс может наступить только там, где есть колебания. И не важно, какие это колебания – колебания электрического напряжения, звуковые колебания, или просто механические колебания.
На рисунке ниже опишем, какими могут быть колебания.
Виды колебаний
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний — это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.
Частота колебаний (измеряется в Герцах) — это количество колебаний в единицу времени. 1 Герц — это одно колебание за одну секунду.
Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.
Толкая качели в определенный момент и с определенной периодичностью можно довольно сильно раскачать их, прилагая совсем немного усилий.Это и будет резонанс: частота наших воздействий совпадает с частотой колебаний качелей и амплитуда колебаний увеличивается.
Резонанс на качелях
Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы.
Суть явления резонанса в физике состоит в том, что амплитуда колебаний резко возрастает при совпадении частоты воздействия на систему с собственной частотой системы.
Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.
Египетский мост в Санкт-Петербурге, разрушившийся из-за резонанса.
Явление резонанса наблюдается в самых разных физических процессах. Например, звуковой резонанс. Возьмём гитару. Само по себе звучание струн гитары будет тихим и почти неслышным. Однако струны неспроста устанавливают над корпусом – резонатором. Попав внутрь корпуса, звук от колебаний струны усиливается, а тот, кто держит гитару, может почувствовать, как она начинает слегка «трястись», вибрировать от ударов по струнам. Иными словами, резонировать.
Еще один пример наблюдения резонанса, с которым мы сталкиваемся — круги на воде. Если кинуть в воду два камня, попутные волны от них встретятся и увеличатся.
Действие микроволновки также основано на резонансе. В данном случае резонанс происходит в молекулах воды, которые поглощают излучение СВЧ (2,450 ГГц). Как следствие, молекулы входят в резонанс, колеблются сильнее, а температура пищи повышается.
Резонатор гитары
Резонанс может быть как полезным, так и приносящим вред явлением. А прочтение статьи, как и помощь нашего студенческого сервиса в трудных учебных ситуациях, принесет вам только пользу. Если в ходе выполнения курсовой вам понадобится разобраться с физикой магнитного резонанса, можете смело обращаться в нашу компанию за быстрой и квалифицированной помощью.
Напоследок предлагаем посмотреть видео на тему «резонанс» и убедиться в том, что наука может быть увлекательной и интересной. Наш сервис поможет с любой работой: от реферата «Сеть интернет и киберпреступность» до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.
zaochnik.ru
