Резонанс в природе и технике его польза и вред
В нашей жизни происходит много удивительных и порой непонятных явлений. Однако объяснение многих из них может быть достаточно простым, но сразу не бросающимся в глаза. Например, одна из любимейших детских забав – качание на качелях. Казалось бы, что тут сложного – все ясно и понятно. Но задумывались ли вы, почему, если правильно действовать на качели, то размах качаний будет становиться все больше и больше? Все дело в том, что действовать нужно строго в определенные моменты времени и в определенном направлении, иначе результатом действия может быть не раскачивание, а полная остановка качелей. Чтобы этого не произошло, нужно, чтобы частота внешнего воздействия совпадала с частотой колебаний самих качелей, в этом случае размах качания будет увеличиваться. Это явление называется резонансом. Давайте попробуем разобраться, что такое резонанс, где он встречается в нашей жизни и что об этом явлении нужно знать.
С точки зрения физики «резонанс» – это резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты колебательной системы с частотой внешней вынуждающей силы. Это только внешнее проявление резонанса. Внутренняя причина заключается в том, что увеличение амплитуды колебаний свидетельствует об увеличении энергии колебательной системы. Это может происходить только в том случае, если физической системе сообщается энергия извне согласно закону сохранения и изменения энергии. Следовательно, внешняя сила должна совершать положительную работу, увеличивая энергию системы. Это возможно только, когда внешняя сила является периодически изменяющейся с частотой, равной собственной частоте колебательной системы. Самый простой вариант – вариант с качелями, который мы уже описали, и который возникает во всех маятниковых системах и устройствах. Но это далеко не единственный случай применения человеком эффекта резонанса.
Резонанс, как и любое другое физическое явление, имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Среди положительных можно выделить использование резонанса в музыкальных инструментах. Особенная форма скрипки, виолончели, контрабаса, гитары способствует резонансу стоячих звуковых волн внутри корпуса инструмента, составляющих гармонику, и музыкальный инструмент дарит любителям музыки необыкновенное звучание. Известнейшие мастера музыкальных инструментов, такие как Николо Амати, Антонио Страдивари и Андреа Гварнери, совершенствовали форму, подбирали редкие породы древесины и изготавливали специальный лак, чтобы усилить резонирующий эффект, сохранив при этом мягкость и нежность тембра. Именно поэтому каждый такой инструмент имеет свой особенный, неповторимый звук.
Помимо этого, известен способ резонансного разрушения при дроблении и измельчении горных пород и материалов. Это происходит так. При движении дробимого материала с ускорением силы инерции будут вызывать напряжения и деформации, периодически меняющие свой знак, – так называемые вынужденные колебания. Совпадение соответствующих частот вызовет резонанс, а силы трения и сопротивления воздуха будет сдерживать рост амплитуды колебаний, однако все равно она может достичь величины, значительно превышающей деформации при ускорениях, не меняющих знак. Резонанс сделает дробление и измельчение горных пород и материалов существенно эффективнее. Такую же роль резонанс играет при сверлении отверстий в бетонных стенах при помощи электрической дрели с перфоратором.
Явление резонанса мы также используем в различных устройствах, использующих радиоволны, таких как телевизоры, радиоприемники, мобильные телефоны и так далее. Радио- или телесигнал, транслируемый передающей станцией, имеет очень маленькую амплитуду. Поэтому, чтобы увидеть изображение или услышать звук, необходимо их усилить и, вместе с тем, понизить уровень шума. Это и достигается при помощи явления резонанса. Для этого нужно настроить собственную частоту приемника, в основе представляющего собой электромагнитный колебательный контур, на частоту передающей станции. При совпадении частот наступит резонанс, и амплитуда радио- или телесигнала существенно вырастет, а сопутствующие ему шумы останутся практически без изменений. Это обеспечит достаточно качественную трансляцию.
Один из видов магнитного резонанса, электронный парамагнитный резонанс, открытый в 1944 году русским физиком Е.К. Завойским, применяется при исследовании кристаллической структуры элементов, химии живых клеток, химических связей в веществах и т. д. Электроны в веществах ведут себя как микроскопические магниты. В разных веществах они переориентируются по-разному, если поместить вещество в постоянное внешнее магнитное поле и воздействовать на него радиочастотным полем. Возврат электронов к исходной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении. Этот метод представляет собой один из видов спектроскопии.
Несмотря на все преимущества, которые можно получить при помощи резонанса, не следует забывать и об опасности, которую он способен принести. Землетрясения или сейсмические волны, а также работа сильно вибрирующих технических устройств могут вызвать разрушения части зданий или даже зданий целиком. Кроме того, землетрясения могут привести к образованию огромных резонансных волн – цунами с очень большой разрушительной силой.
Также резонанс может стать причиной разрушения мостов. Существует версия, что один из деревянных мостов Санкт-Петербурга (сейчас он каменный) действительно был разрушен воинским соединением. Как сообщали газеты того времени, подразделение двигалось на лошадях, которых пришлось впоследствии извлекать из воды. Естественно, что лошади гвардейцев двигались строем, а не как попало. Еще один мост – Такомский – висячий мост через пролив Такома-Нэрроуз в США был разрушен 7 ноября 1940 года. Причиной обрушения центрального пролета стал ветер со скоростью около 65 км/ч.
В наше время резонансные колебания, вызванные ветром, чуть не стали причиной обрушения волгоградского моста, теперь неофициально называемого «Танцующим мостом». 20 мая 2010 года ветер и волны раскачали его до такой степени, что его пришлось закрыть. При этом был слышен оглушающий скрежет многотонных металлических конструкций. Дорожное покрытие моста через Волгу в течение часа было похоже на развивающееся на ветру полотнище. Бетонные волны, по словам очевидцев, были высотой около метра. Когда мост “затанцевал”, по нему ехало несколько десятков автомашин. К счастью, мост устоял, и никто не пострадал.
Таким образом, резонанс – это очень эффективный инструмент для решения многих практических задач, но и одновременно может быть причиной серьёзных разрушений, вреда здоровью и других негативных последствий.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Матвеева Е.В., учитель физики
ГБОУ Школа № 2095 «Покровский квартал»
Источник
Автор работы:
Леонтьев Денис Алексеевич
Руководитель проекта:
Любавина Светлана Анатольевна
Учреждение:
ГАПОУ РС(Я) МРТК филиал «Удачнинский»
В индивидуальной исследовательской работе по физике на тему «Резонанс в природе и технике» автор проводит исследование теоретической базы такого физического явления, как “резонанс”, и рассматривает его влияние в различных областях в природе и жизни человека, изучается история резонанса.
Подробнее о работе:
В рамках исследовательского проекта по физике о резонансе в природе и технике дается справочная информация о резонансе, в работе приводится описание понятия “резонанс” и рассматриваются исторические факты из истории данного явления, описываются примеры проявления резонанса в природе и технике, а также дается характеристика каждой разновидности резонанса.
В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Резонанс в природе и технике» учащийся провел эксперимент с качелей и установил принцип действия резонанса в созданных условиях. Ученический проект показывает использование явления резонанса в различных отраслях техники, а также объясняет, в чем необходимость явления резонанса в повседневной жизни.
Оглавление
Введение
1. Понятие резонанс.
2. История резонанса.
3. Резонанс и его разновидности.
4. Принцип действия.
5. Исследовательская часть.
Заключение
Литература
Введение
Знакомясь с разнообразными отраслями знаний, наблюдая явления природы, нетрудно убедиться в том, что колебания представляют собой одну из наиболее распространенных форм механического движения. С колебательными движениями мы встречаемся в повседневной жизни и технике: маятник стенных часов совершает периодические качания около отвесного положения, фундамент быстроходной турбины колеблется в такт с оборотами главного вала, кузов железнодорожного вагона качается на рессорах при проходе через стыки рельсов и т. д.
Во всех этих случаях колеблющееся тело совершает периодическое движение между двумя крайними положениями, проходя через более или менее одинаковые промежутки времени.
По современным воззрениям науки звуковые, тепловые, световые, электромагнитные явления, т.е. важнейшие физические процессы окружающего нас мира являются различными видами колебаний.
Человеческая речь, являющаяся могущественным средством общения между людьми, связана с колебаниями голосовых связок. Музыка, способная воспроизводить и вызывать у людей сложные эмоции (переживания, ощущения), физически обусловливается так же, как и другие звуковые явления, колебаниями воздуха, струн, пластин и других упругих тел.
Колебания играют исключительную роль в таких ведущих отраслях техники, как электричество и радио. Выработка, передача и потребление электрической энергии, радиовещание, телевидение, радиолокация – все эти важные и сложные отрасли техники основаны на использовании электрических и электромагнитных колебаний.
Актуальность: Резонанс имеет большое влияние в различных частях в природе и жизни человека.
Цель работы: Углубление и расширение знаний по теме «Резонанс в природе и технике».
Задачи работы:
- изучение литературы связанной с резонансом
- Провести исследование
- Узнать, что такое резонанс.
- Изучить историю открытия резонанса.
- Резонанс и его разновидности.
- Раскрыть сущность явления.
- Показать использование явления резонанса в различных отраслях техники.
- Обобщение и итог.
- Сделать вывод по проделанной работе.
Предмет исследования: Резонанс.
Объект исследования: Резонанс в природе и технике.
Методы исследования: Теоретический и экспериментальный.
Гипотеза исследования в чем необходимость явления резонанса в повседневной жизни?
Понятие резонанс
Резонанс (resonance, от лат. resono «откликаюсь») — 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. Для линейных колебательных систем значения частот резонанса совпадает с частотами собственных колебаний, а их число соответствует числу степеней свободы.
Под действием резонанса, колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие внешней силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротностью. При помощи резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания.
История резонанса
Впервые наличие стоячих электромагнитных волн и их частоты в системе поверхность Земли – ионосфера было предсказано ирландским физиком Дж. Ф. Фицджеральдом в 1893 году. В 1900 году, к подобному выводу пришёл Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году своё открытие. Н. Тесла, однако, не знал о существовании ионосферного слоя, и вообще о проводимости атмосферы, поэтому рассчитанные им частоты резонансов оказались неверными.
Нашему взору открыта лишь малая часть знаний о резонансе и его последствиях его действия. Сюда относится практически весь спектр ассоциаций, связанных со словом резонанс .
Это и маятники на общей нити, и посуда, дребезжащая в шкафу в ответ на проехавший по улице трамвай, и раскачивание качелей, и питерский мост, рухнувший от строевого шага прошедшей по нему роты солдат, и лазерная генерация и т.д.
Резонанс и его разновидности. Механический резонанс
Тенденция механической системы поглощать больше энергии, когда частота ее колебаний соответствует собственной частоте вибрации системы. Это может привести к сильным колебаниям движения и даже катастрофическому провалу в недостроенных конструкциях, включая мосты, здания, поезда и самолеты. При проектировании объектов инженеры должны обеспечить безопасность, чтобы механические резонансные частоты составных частей не соответствовали колебательным частотам двигателей или других частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.
Особенно чувствительны к резонансу мосты. С этим явлением 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» и 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).
Негативными проявлениями механического резонанса являются также: расплёскивание при переносе воды из ведра, раскачивание груза на подъёмном кране. Вентилятор, который плохо прикреплен к потолку, при своем вращении создает толчки на потолок, частота которых может совпасть с собственной частотой колебаний комнаты (потолка), амплитуда колебаний потолка нарастает и может привести к его обрушению.
Очень часто корабли попадают в шторм, вызывая качку всего судна. Это качание на волнах нередко переходит в катастрофическое разрушение всего корабля, что иногда сопровождается жертвами.
Для уменьшения боковой качки судна применяют специальные поглотители колебаний. Одним из таких поглотителей являются баки Фрама, напоминающие сообщающиеся сосуды. Поглотитель Фрама размещается внутри корабля и состоит из двух резервуаров, наполовину наполненных водой и соединенных между собой водяным трубопроводом внизу и воздушным трубопроводом с вентилем наверху.
При боковой качке корабля будет так же совершать колебания масса воды в успокоителе. В этой колеблющейся системе «пружина» в буквальном смысле слова отсутствует, но зато роль восстанавливающей силы играет сила тяжести, которая всегда стремится возвратить уровень воды в положение равновесия.
Для получения чугунного литья высокого качества иногда бывает целесообразно применять вибрирование расплавленного чугуна с целью удаления вредных газов и шлака. Ковш с расплавленным чугуном помещают на специальную виброплатформу, приводимую в колебательное движение с помощью вибраторов.
Вибрация ковша, а следовательно, и находящегося в нем жидкого чугуна способствует выделению имеющихся в чугуне газов, а также всплытию более легких веществ, представляющих собой шлаковые включения, которые затем могут быть удалены с поверхности ковша. Отлитые детали из очищенного таким образом чугуна получаются более высокого качества, как с точки зрения меньшего ослабления пузырями, так и с точки зрения уменьшения шлаковых включений, которые ухудшают качество чугунного литья.
В ряде отраслей техники находят широкое применение сортировочные машины и устройства, основанные на использовании колебательных движений. Таковы молотилки, веялки и другие сельскохозяйственные машины, применяемые для сортировки зерна. Сита веялок и молотилок, на которые попадает зерно, подлежащее сортировке, совершают вынужденные боковые или продольные колебания, обеспечивающие возвратно-поступательное движение зерна по рабочей поверхности сита и вследствие этого сортировку зерна.
Аналогичное использование колебательных процессов распространено в угольной промышленности на обогатительных фабриках, где применяются специальные машины-грохоты, основное назначение которых заключается в обезвоживании каменных углей, в подготовительном грохочении, т.е. в разделении угля на классы перед обогащением, в сортировке для получения товарных сортов и др.
Акустический резонанс
Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т.е. заставить их звучать. Такой резонанс называют акустическим.
Например, устройство для получения чистого тона, т.е. звука одной частоты, камертон сам по себе дает очень слабый звук, потому что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающейся с воздухом, мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха.
Поэтому камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу стенки ящика тоже начинают колебаться с частотой камертона, поэтому звук оказывается значительно более громким.
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. Благодаря резонансу звучность музыкальных инструментов усиливается, и обогащается их тембровая окраска.
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.
Великий композитор Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было здоровым.
Если взять в зубы тикающие наручные часы и заткнуть себе уши, тотиканье превратится в сильные, тяжелые удары — настолько оно усилится. Удивительные факты — почти глухие люди разговаривают по телефону, прижимая трубку к височной кости. Глухие часто танцуют под музыку, ведь звук проникает в их внутреннее ухо через пол и кости скелета. Вот какими удивительными путями доходят звуки до слухового нерва человека, но «музыкальный слух» при этом остается.
Электрический резонанс
Возникает он в электрической цепи на определенной резонансной частоте. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь. В радиоприемниках на основе явления резонанса можно выделить нужный сигнал из большого числа сигналов разных радиостанций, поступающих на его приемную антенну.
Действие микроволновки также основано на резонансе. В данном случае резонанс происходит в молекулах воды, которые поглощают излучение СВЧ. Как следствие, молекулы входят в резонанс, колеблются сильнее, а температура пищи повышается.
Космический резонанс
Два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением.
При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 4-х лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс между Плутоном и Нептуном.
Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)- это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантово-механических магнитных свойств атомного ядра, если присутствует внешнее магнитное поле. Многие научные методы используют ЯМР-феномены для изучения молекулярной физики, кристаллов и некристаллических материалов. ЯМР также обычно используется в современных медицинских методах визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ).
Принцип действия, как показывает простой пример с качелями, система обладает определенной частотой (v). Без вычислений понятно, что удлинение (L) веревки при одном и том же отклонении от вертикали на угол (α) провоцирует увеличение периода колебаний (T). Резонанс это в физике 11 класса школьной программы определяется как возрастание амплитуды при совпадении собственной частоты конструкции с внешними воздействиями. Хаотичные толчки провоцируют обратный эффект – торможение маятника. Такой результат объясняется противоположным направлением векторов соответствующих сил.
Практическая часть
Если выведем качели из положения равновесия и отпустим их они будут качаться с определенной собственной частотой чтобы раскачать качели по сильнее надо подталкивать их с такой же частотой и тогда периодически внешние толчки попадут в такт с собственными колебаниями качелей.
Заключение
Выдвинутые в начале задачи выполнены, гипотеза подтверждена. В ходе работы возникло стойкое убеждение, что явление резонанс является неотъемлемой частью жизни людей, так как с этим явлением мы сталкиваемся с детства на примере опыта с качелями.
Литература
- Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для втузов. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2012. – 718 с.
- Зоммерфельд А., Механика. ― Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. ―368 с.
- Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Курс общей физики: Учебн. В 2 т. Т. 1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика – М.: ФИЗИАТЛИТ, 2001. ― 560 с.
- Ресурсы сети Интернет.
Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:
Источник