Польза резонанса и вред: понятное объяснение, примеры, польза и вред

примеры, польза и вред от его воздействия в жизни, методы борьбы с откликом • Мир электрики

Содержание

1. Принцип действия
2. Примеры резонанса в жизни
3. Типы явления
4. Механический и акустический
5. Электрический резонанс
6. Оптический резонанс
7. Орбитальные колебания
8. Атомный, частичный и молекулярный
9. Польза и вред резонанса
10. Положительный эффект
11. Отрицательное воздействие
12. Борьба с резонансом

Определение понятия резонанса (отклика) в физике возлагается на специальных техников, которые обладают графиками статистики, часто сталкивающихся с этим явлением. На сегодняшний день резонанс представляет собой частотно-избирательный отклик, где вибрационная система или резкое возрастание внешней силы вынуждает другую систему осциллировать с большей амплитудой на определенных частотах.

Принцип действия

Это явление наблюдается, когда система способна хранить и легко переносить энергию между двумя или более разными режимами хранения, такими как кинетическая и потенциальная энергия. Однако есть некоторые потери от цикла к циклу, называемые затуханием. Когда затухание незначительно, резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая представляет собой частоту невынужденных колебаний.

Эти явления происходят со всеми типами колебаний или волн: механические, акустические, электромагнитные, ядерные магнитные (ЯМР), электронные спиновые (ЭПР) и резонанс квантовых волновых функций. Такие системы могут использоваться для генерации вибраций определенной частоты (например, музыкальных инструментов).

Термин «резонанс» (от латинской resonantia, «эхо») происходит от поля акустики, особенно наблюдаемого в музыкальных инструментах, например, когда струны начинают вибрировать и воспроизводить звук без прямого воздействия игроком.

Примеры резонанса в жизни

Толчок человека на качелях является распространенным примером этого явления. Загруженные качели, маятник имеют собственную частоту колебаний и резонансную частоту, которая сопротивляется толканию быстрее или медленнее.

Примером является колебание снарядов на детской площадке, которое действует как маятник. Нажатие человека во время качания с естественным интервалом колебания приводит к тому, что качели идут все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки делать качание с более быстрым или медленным темпом создают меньшие дуги. Это связано с тем, что энергия, поглощаемая колебаниями, увеличивается, когда толчки соответствуют естественным колебаниям.

Отклик широко встречается в природе и используется во многих искусственных устройствах. Это механизм, посредством которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, когда ударяются жесткие предметы из металла, стекла или дерева, вызваны короткими колебаниями в объекте. Легкое и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе, таким как электроны в атомах.

Другие условия, в которых могут применяться полезные свойства этого явления:

• Механизмы хронометража современных часов, колесо баланса в механических часах и кварцевый кристалл в часах.
• Приливной отклик залива Фанди.
• Акустические резонансы музыкальных инструментов и человеческого голосового тракта.
• Разрушение хрустального бокала под воздействием музыкального правого тона.
• Фрикционные идиофоны, такие как изготовление стеклянного предмета (стекла, бутылки, вазы), вибрируют, при потирании вокруг его края кончиком пальца.
• Электрический отклик настроенных схем в радиостанциях и телевизорах, которые позволяют избирательно принимать радиочастоты.
• Создание когерентного света оптическим резонансом в лазерной полости.
• Орбитальный отклик, примером которого являются некоторые луны газовых гигантов Солнечной системы.

Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:

• Электронный спиновой.
• Эффект Мёссбауэра.
• Ядерный магнитный.

Типы явления

В описании резонанса Г. Галилей как раз обратил внимание на самое существенное — на способность механической колебательной системы (тяжелого маятника) накапливать энергию, которая подводится от внешнего источника с определенной частотой. Проявления резонанса имеют определенные особенности в различных системах и поэтому выделяют разные его типы.

Механический и акустический

Механический резонанс — это 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 осциллирующих частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.

Электрический резонанс

Возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс схемы минимален в последовательной цепи или максимум в параллельном контуре. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь.

Оптический резонанс

Оптическая полость, также называемая оптическим резонатором, представляет собой особое расположение зеркал, которое образует резонатор стоячей волны для световых волн. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих среду усиления и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах.

Свет, ограниченный в полости, многократно воспроизводит стоячие волны для определенных резонансных частот. Полученные паттерны стоячей волны называются «режимами». Продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные различаются для разных частот и имеют разные рисунки интенсивности поперек сечения пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячих волн.

Орбитальные колебания

В космической механике возникает орбитальный отклик, когда два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Обычно это происходит из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением, пока резонанс больше не существует.

При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 1: 2: 4 лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс 2: 3 между Плутоном и Нептуном. Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с аналогичными орбитальными радиусами) заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.

Атомный, частичный и молекулярный

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантовомеханических 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).

Польза и вред резонанса

Для того чтобы сделать некий вывод о плюсах и минусах резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для человеческой деятельности.

Положительный эффект

Явление отклика широко используется в науке и технике. Например, работа многих радиотехнических схем и устройств основывается на этом явлении.

• Двухтактный двигатель. Глушитель двухтактного двигателя имеет особую форму, рассчитанную на создание резонансного явления. Оно улучшает работу двигателя засчет снижения потребления и загрязнения. Этот резонанс частично уменьшает несгоревшие газы и увеличивает сжатие в цилиндре.
• Музыкальные инструменты. В случае струнных и духовых инструментов звуковое производство происходит в основном при возбуждении колебательной системы (струны, колонны воздуха) до возникновения явления резонанса.
• Радиоприемники. Каждая радиостанция излучает электромагнитную волну с четко определенной частотой. Для его захвата цепь RLC принудительно подвергается вибрации с помощью антенны, которая захватывает все электромагнитные волны, достигающие ее. Для прослушивания одной станции собственная частота RLC-схемы должна быть настроена на частоту требуемого передатчика, изменяя емкость переменного конденсатора (операция выполняется при нажатии кнопки поиска станции). Все системы радиосвязи, будь то передатчики или приемники, используют резонаторы для «фильтрации» частот сигналов, которые они обрабатывают.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ). В 1946 году два американца Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл самостоятельно обнаружили явление ядерного магнитного резонанса, также называемое ЯМР, которое принесло им Нобелевскую премию по физике.

Отрицательное воздействие

Однако не всегда явление полезно.

Часто можно встретить ссылки на случаи, когда навесные мосты ломались при прохождении по ним солдат «в ногу». При этом ссылаются на проявление резонансного эффекта воздействия резонанса, и борьба с ним приобретает масштабный характер.

• Автотранспорт. Автомобилисты часто раздражаются шумом, который появляется при определенной скорости движения транспортного средства или в результате работы двигателя. Некоторые слабо закругленные части корпуса вступают в резонанс и излучают звуковые колебания. Сам автомобиль с его системой подвески представляет собой осциллятор, оснащенный эффективными амортизаторами, которые препятствуют возникновению острого резонанса.
• Мосты. Мост может выполнять вертикальные и поперечные колебания. Каждый из этих типов колебаний имеет свой период. Если стропы подвешены, система имеет очень разную резонансную частоту.
• Здания. Высокие здания чувствительны к землетрясениям. Некоторые пассивные устройства позволяют защитить их: они являются осцилляторами, чья собственная частота близка к частоте самого здания. Таким образом, энергия полностью поглощается маятником, препятствующим разрушению здания.

Борьба с резонансом

Но несмотря на иногда губительные последствия эффекта отклика с ним вполне можно и нужно бороться. Чтобы избежать нежелательного возникновения этого явления, обычно используют

два способа одновременного применения резонанса и борьбы с ним:

1. Производится «разобщение» частот, которые в случае совпадения приведут к нежелательным последствиям. Для этого повышают трение различных механизмов или меняют собственную частоту колебаний системы.
2. Увеличивают затухание колебаний, например, ставят двигатель на резиновую подкладку или пружины.

примеры, польза и вред от его воздействия в жизни, методы борьбы с откликом

Определение понятия резонанса (отклика) в физике возлагается на специальных техников, которые обладают графиками статистики, часто сталкивающихся с этим явлением. На сегодняшний день резонанс представляет собой частотно-избирательный отклик, где вибрационная система или резкое возрастание внешней силы вынуждает другую систему осциллировать с большей амплитудой на определенных частотах.

Принцип действия

Это явление наблюдается, когда система способна хранить и легко переносить энергию между двумя или более разными режимами хранения, такими как кинетическая и потенциальная энергия. Однако есть некоторые потери от цикла к циклу, называемые затуханием. Когда затухание незначительно, резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая представляет собой частоту невынужденных колебаний.

Эти явления происходят со всеми типами колебаний или волн: механические, акустические, электромагнитные, ядерные магнитные (ЯМР), электронные спиновые (ЭПР) и резонанс квантовых волновых функций. Такие системы могут использоваться для генерации вибраций определенной частоты (например, музыкальных инструментов).

Термин «резонанс» (от латинской resonantia, «эхо») происходит от поля акустики, особенно наблюдаемого в музыкальных инструментах, например, когда струны начинают вибрировать и воспроизводить звук без прямого воздействия игроком.

Таинственный дом

В «Рассказах о старой Москве» А. Вьюркова описывается звучащий страшным голосом дом. Главный герой произведения Иван Павлович решил разбогатеть обманным путем. Он нанял бригаду каменщиков, чтобы те построили ему доходный дом, и не заплатил им всей обещанной суммы. Вскоре арендаторы стали один за другим покидать гостиницу, потому что были напуганы нечистой силой, которая выла нечеловеческим голосом.

Иван Павлович остался без денег и без жильцов. Ему нечем было выплачивать проценты по кредиту, поэтому имущество и его самого арестовали. По прошествии времени один из подрядчиков раскрыл Ивану Павловичу секрет мистического дома. Оказывается, что обманутые рабочие решили отомстить: они замуровали в стену пустые бутылки, которые звучали при каждом порыве ветра, пугая постояльцев.

Примеры резонанса в жизни

Толчок человека на качелях является распространенным примером этого явления. Загруженные качели, маятник имеют собственную частоту колебаний и резонансную частоту, которая сопротивляется толканию быстрее или медленнее.

Примером является колебание снарядов на детской площадке, которое действует как маятник. Нажатие человека во время качания с естественным интервалом колебания приводит к тому, что качели идут все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки делать качание с более быстрым или медленным темпом создают меньшие дуги. Это связано с тем, что энергия, поглощаемая колебаниями, увеличивается, когда толчки соответствуют естественным колебаниям.

Отклик широко встречается в природе и используется во многих искусственных устройствах. Это механизм, посредством которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, когда ударяются жесткие предметы из металла, стекла или дерева, вызваны короткими колебаниями в объекте. Легкое и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе, таким как электроны в атомах. Другие условия, в которых могут применяться полезные свойства этого явления:

• Механизмы хронометража современных часов, колесо баланса в механических часах и кварцевый кристалл в часах.
• Приливной отклик залива Фанди.
• Акустические резонансы музыкальных инструментов и человеческого голосового тракта.
• Разрушение хрустального бокала под воздействием музыкального правого тона.
• Фрикционные идиофоны, такие как изготовление стеклянного предмета (стекла, бутылки, вазы), вибрируют, при потирании вокруг его края кончиком пальца.
• Электрический отклик настроенных схем в радиостанциях и телевизорах, которые позволяют избирательно принимать радиочастоты.
• Создание когерентного света оптическим резонансом в лазерной полости.
• Орбитальный отклик, примером которого являются некоторые луны газовых гигантов Солнечной системы.

Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:

• Электронный спиновой.
• Эффект Мёссбауэра.
• Ядерный магнитный.

«Поющий» камень

Недалеко от Баку, столицы Азербайджана, есть пустыня со знаменитым «поющим» камнем. Он настолько известен, что получил имя — «Каменный бубен». Эта удивительная глыба имеет свойство: если ударить по ней камнем, то звук получается такой же громкий и чистый, как у колокола. Как же физика объясняет этот пример звукового резонанса?

Удар приводит к краткосрочной деформации — тут же от точки столкновения во все стороны бегут звуковые волны. На скорость их расхождения размеры камня не влияют. Однако волна может свободно распространяться только в неограниченном пространстве. А ведь мы знаем, что камень и воздух имеют границы (там, где они соприкасаются).

Типы явления

В описании резонанса Г. Галилей как раз обратил внимание на самое существенное — на способность механической колебательной системы (тяжелого маятника) накапливать энергию, которая подводится от внешнего источника с определенной частотой. Проявления резонанса имеют определенные особенности в различных системах и поэтому выделяют разные его типы.

Механический и акустический

Механический резонанс — это 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 осциллирующих частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.

Электрический резонанс

Возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс схемы минимален в последовательной цепи или максимум в параллельном контуре. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь.

Оптический резонанс

Оптическая полость, также называемая оптическим резонатором, представляет собой особое расположение зеркал, которое образует резонатор стоячей волны для световых волн. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих среду усиления и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах.

Свет, ограниченный в полости, многократно воспроизводит стоячие волны для определенных резонансных частот. Полученные паттерны стоячей волны называются «режимами». Продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные различаются для разных частот и имеют разные рисунки интенсивности поперек сечения пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячих волн.

Орбитальные колебания

В космической механике возникает орбитальный отклик, когда два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Обычно это происходит из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением, пока резонанс больше не существует.

При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 1: 2: 4 лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс 2: 3 между Плутоном и Нептуном. Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с аналогичными орбитальными радиусами) заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.

Атомный, частичный и молекулярный

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантовомеханических 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).

«Поющий» камень

Недалеко от Баку, столицы Азербайджана, есть пустыня со знаменитым «поющим» камнем. Он настолько известен, что получил имя — «Каменный бубен». Эта удивительная глыба имеет свойство: если ударить по ней камнем, то звук получается такой же громкий и чистый, как у колокола. Как же физика объясняет этот пример звукового резонанса?

Удар приводит к краткосрочной деформации — тут же от точки столкновения во все стороны бегут звуковые волны. На скорость их расхождения размеры камня не влияют. Однако волна может свободно распространяться только в неограниченном пространстве. А ведь мы знаем, что камень и воздух имеют границы (там, где они соприкасаются). Когда волна добегает до рубежа, она частично проходит в другую среду — из камня в воздух. Оставшаяся часть акустической энергии отражается в обратном направлении.

Польза и вред резонанса

Для того чтобы сделать некий вывод о плюсах и минусах резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для человеческой деятельности.

Положительный эффект

Явление отклика широко используется в науке и технике. Например, работа многих радиотехнических схем и устройств основывается на этом явлении.

• Двухтактный двигатель. Глушитель двухтактного двигателя имеет особую форму, рассчитанную на создание резонансного явления. Оно улучшает работу двигателя засчет снижения потребления и загрязнения. Этот резонанс частично уменьшает несгоревшие газы и увеличивает сжатие в цилиндре.
• Музыкальные инструменты. В случае струнных и духовых инструментов звуковое производство происходит в основном при возбуждении колебательной системы (струны, колонны воздуха) до возникновения явления резонанса.
• Радиоприемники. Каждая радиостанция излучает электромагнитную волну с четко определенной частотой. Для его захвата цепь RLC принудительно подвергается вибрации с помощью антенны, которая захватывает все электромагнитные волны, достигающие ее. Для прослушивания одной станции собственная частота RLC-схемы должна быть настроена на частоту требуемого передатчика, изменяя емкость переменного конденсатора (операция выполняется при нажатии кнопки поиска станции). Все системы радиосвязи, будь то передатчики или приемники, используют резонаторы для «фильтрации» частот сигналов, которые они обрабатывают.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ). В 1946 году два американца Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл самостоятельно обнаружили явление ядерного магнитного резонанса, также называемое ЯМР, которое принесло им Нобелевскую премию по физике.

Отрицательное воздействие

Однако не всегда явление полезно. Часто можно встретить ссылки на случаи, когда навесные мосты ломались при прохождении по ним солдат «в ногу». При этом ссылаются на проявление резонансного эффекта воздействия резонанса, и борьба с ним приобретает масштабный характер.

• Автотранспорт. Автомобилисты часто раздражаются шумом, который появляется при определенной скорости движения транспортного средства или в результате работы двигателя. Некоторые слабо закругленные части корпуса вступают в резонанс и излучают звуковые колебания. Сам автомобиль с его системой подвески представляет собой осциллятор, оснащенный эффективными амортизаторами, которые препятствуют возникновению острого резонанса.
• Мосты. Мост может выполнять вертикальные и поперечные колебания. Каждый из этих типов колебаний имеет свой период. Если стропы подвешены, система имеет очень разную резонансную частоту.
• Здания. Высокие здания чувствительны к землетрясениям. Некоторые пассивные устройства позволяют защитить их: они являются осцилляторами, чья собственная частота близка к частоте самого здания. Таким образом, энергия полностью поглощается маятником, препятствующим разрушению здания.

Резонатор Гельмгольца

Удивительные свойства пустых сосудов человечество знает давно. Античные архитекторы при строительстве театра использовали знания о звуковом резонансе: закладывали в стены сосуды из бронзы, чтобы голос актеров звучал громче. В акустике широко применяются резонаторы Гельмгольца. Гельмгольц — это немецкий ученый, который обосновал теорию слуха с физической точки зрения. С помощью набора резонаторов, названных в его честь, можно анализировать сложные звуки по частоте колебаний волны.

Как же работает резонатор? Он представляет собой шарообразный или в форме бутылки сосуд с узким горлышком. Весь секрет состоит в звуковом резонансе колебаний воздуха, который находится внутри. Звуковая волна сложная. Она состоит из множества колебаний. Но каждый из резонаторов лучше всего отзывается на ту частоту, которая равна его собственной, т. е. частоту колебания воздуха, заключенного в полости. От чего она зависит?

Если резонатор меньше длины звуковой волны, то его принцип действия такой же, как у пружинного маятника. Воздух в узком горлышке движется намного быстрее, чем в самом резонаторе. Именно колебания в горлышке сосуда играют главную роль. Получается, что кинетическая энергия сосредоточена преимущественно в этом узком месте. Упругую энергию несет масса воздуха, находящаяся внутри резонатора.

Воздуха в горлышке гораздо меньше, чем внутри, поэтому изменением его объема во время колебаний принято пренебрегать. Условно считается, что вся эта масса передвигается как единое целое, как воздушная пробка, а объем воздуха внутри резонатора меняется сильно. Получается, что воздух внутри работает как пружина в колебательной системе. Его приток перекрывает путь в сосуд другому воздуху, а отток понижает давление и препятствует выпусканию воздуха изнутри. Когда воздушная пробка идет вниз, она сжимает близлежащий слой воздуха внутри резонатора, т. е. повышает его плотность. В результате растущее давление приводит в движение следующий слой воздуха, потом еще один и т. д. Таким образом, сжатие распространяется по слоям, передает свой импульс, и возникает звуковая волна.

Теперь понятно, что причиной жутких голосов в доходном доме был звуковой резонанс. Вой ветра и другие шумы с улицы — это неупорядоченные гармонические колебания разной частоты. Их называют чистыми тонами. При прохождении через стену все частоты, кроме резонансных, слабели. Резонансные частоты — это те, что совпадали с частотами воздуха в пустых сосудах. Более того, они могли даже усилиться. Городовые впадали в панику, потому что слышали несвойственные человеку и живым существам звуки. Дело в том, что наша речь звучит на частоте, гораздо большей 100 герц, а «домовой» издавал необычно низкие звуки.

Борьба с резонансом

Но несмотря на иногда губительные последствия эффекта отклика с ним вполне можно и нужно бороться. Чтобы избежать нежелательного возникновения этого явления, обычно используют два способа одновременного применения резонанса и борьбы с ним:

1. Производится «разобщение» частот, которые в случае совпадения приведут к нежелательным последствиям. Для этого повышают трение различных механизмов или меняют собственную частоту колебаний системы.
2. Увеличивают затухание колебаний, например, ставят двигатель на резиновую подкладку или пружины.

Примеры, которые повторяют многие

Еще один пример, который даже участвует в анекдотах — это раскалывание посуды звуковыми колебаниями, от занятий на скрипке и даже пения. В отличие от роты солдат, данный пример неоднократно наблюдался и даже специально проверялся. Действительно, возникающий при совпадении частот резонанс приводит к раскалыванию тарелок, бокалов, чашек и другой посуды.

Это пример развития процесса в условиях системы с высокой добротностью. Материалы, из которых сделана посуда — это достаточно упругие среды, в которых колебания распространяются с малыми затуханиями. Добротность таких систем очень высока, и хотя полоса совпадения частот довольно узкая, резонанс приводит к сильному увеличению амплитуды, в результате чего материал разрушается.

Сила резонанса: почему пение заставляет вас чувствовать себя так хорошо

Весной 2020 года на ступенях бруклинского дома из коричневого камня стоял баритон.

Он пел своим соседям серенаду под музыку из оперы Бизе «Кармен», а любопытные жители Нью-Йорка на цыпочках подходили к тротуару, чтобы посмотреть, из-за чего весь этот шум. Баритон приглашал их подпевать, и вскоре публика наполнила улицы Бруклин-Хайтс эхом, которое могло бы соперничать с любым профессиональным хором.

Этот момент породил чувство надежды и общности — то, чего не хватало многим жителям в первые недели COVID-19пандемия.

Питер Кендалл Кларк (который теперь с гордостью носит прозвище Brownstone Baritone ) никогда не переставал петь. День за днем, будь то дождь или солнце, он пел на этих ступенях, и сообщество продолжало слушать и присоединяться к нему.

Он не один. С самого начала пандемии люди нашли творческие способы связи со своим сообществом с помощью песни — от итальянцев, поющих на своих балконах , до глобального спазма вокалистов Youtube.

Почему? Потому что музыка — это лекарство. Когда мы начинаем петь в душе или подпевать Уитни Хьюстон в машине, это вызывает сенсорный отклик. Мы чувствуем приподнятое настроение и даже можем испытывать чувство влюбленности.

На то есть причина.

Сила резонанса

По своей сути пение — это манипулирование воздухом, вызывающее вибрацию голосовых связок (или голосовых связок). Эта вибрация производит звук, который, в свою очередь, отражается вокруг черепа, резонируя с различными частотами, создавая изменения высоты тона, интонации и громкости.

Когда эти частоты встречаются с соседней частотой (или формой волны), волны начинают, так сказать, танец, и в конце концов увлекают за собой , то есть резонируют вместе.

«Резонанс — это когда две формы волны одинаковой частоты «запираются в фазе» друг с другом, что означает, что волны колеблются вместе с одинаковой скоростью».

Anodea Judith, Wheels of Life

Резонанс — это ощущения, возникающие при прослушивании или исполнении музыкального произведения. Вот почему у нас такая сильная реакция на эту музыку. Когда мы его ненавидим, мы расстроены, и это бесконечно нас раздражает. Когда мы любим это, мы в гармонии. Мы подключаемся. Эта связь является причиной того, что публика осталась слушать уличный перфоманс Питера: они резонировали со звуком.

«Когда я один на сцене, мне не нужно ни о чем думать. Мне не нужно ни о чем беспокоиться, потому что я ни за что не отвечаю, кроме как просто открыть рот и убедиться, что музыка выходит».

Бобби Макферрин

Наука и преимущества пения

Наука доказала, что, когда мы поем, наш мозг находится в состоянии повышенной готовности, при этом активируются как правое, так и левое полушария. Хотя прослушивание музыки имеет множество преимуществ, таких как развитие социальных навыков, активация памяти и повышение уверенности в себе, когда мы поем, воздействие гораздо сильнее.

Пение поднимает настроение  

Пение снижает уровень гормона стресса кортизола и способно активировать центр удовольствия в нашем мозгу — прилежащее ядро, ответственное за выброс дофамина. Допамин является естественным стимулятором настроения, облегчающим тревогу и помогающим в лечении депрессии.

Пение увеличивает объем легких

Контролируемое и регулярное дыхание идет рука об руку с искусством пения. Эти отношения обеспечивают ощущение спокойствия и расслабления у практикующего, а также общее ощущение благополучия. Улучшение объема легких приводит к улучшению осанки, улучшению сна, снижению стресса, улучшению кровообращения и укреплению иммунной системы.

Пение улучшает познание 

Когда так много мозга работает одновременно, и к мозгу поступает больше кислорода, практика музыки доказала, что она улучшает концентрацию. Например, у учащихся непрерывная музыкальная практика привела к улучшению общей успеваемости.

Пение укрепляет отношения

Подумайте о чувстве влюблённости — об этом покалывающем ощущении, от которого внутри становится липко-о-о-о. Это чувство является результатом выброса окситоцина — то же самое происходит, когда мы поем! Окситоцин — это нейропептид в мозгу, связанный с чувством доверия и связи, помогающий в построении отношений.

Пение помогает в лечении неврологических нарушений

Возможно, одним из самых удивительных преимуществ пения является его способность помогать нам преодолевать неврологические нарушения. Например, у представителя США Габриэль Гиффордс после покушения на жизнь было серьезно повреждено левое полушарие — часть мозга, отвечающая за речь и движение.

В результате ей поставили диагноз афазия, при которой речь пациента сильно снижена. С помощью музыкальной терапии Гиффордс смогла переобучить свой мозг, чтобы найти новые пути для связи с речью.

«У пациентов с тяжелой афазией пение тренирует структуры и связи в правом полушарии мозга, чтобы они брали на себя постоянную ответственность за задачу, обычно выполняемую в основном левым», — объясняют профессора Уильям Форде Томпсон и Готфрид Шлауг в статье для журнала Scientific American.

Та же самая борьба характерна и для жертв инсульта, и использование пения также показало исключительно положительные результаты.

– – –

В поговорке «музыка — это пища для души» так много правды.

Это природное лекарство — средство, к которому у всех нас есть свободный доступ всякий раз, когда мы используем свой голос. Возможно, лучшая новость, когда речь заходит о преимуществах пения, заключается в том, что не требуется быть профессионалом. Все, что вам нужно, чтобы получить эти обильные преимущества, — это основное желание петь от всего сердца.

Резонанс и его влияние на механические конструкции

Понимание резонанса необходимо для решения проблем повышенной вибрации.

 

Резонанс — это состояние, которое может возникнуть в механических конструкциях и может быть описано как чувствительность к вибрации определенной частоты. Резонанс возникает, когда собственная частота равна или близка к частоте воздействия, такой как частота вращения ротора. Для механизмов, таких как насосы, турбины и электродвигатели, резонанс может усиливать небольшие вибрационные силы от работы машины, что может привести к высоким уровням вибрации. Такие проблемы часто возникают после изменения скорости, например, при дооснащении машины приводом с регулируемой скоростью (ASD) или работе двигателя с частотой 50 Гц при мощности 60 Гц.

Решение этих проблем часто зависит от различения структурного резонанса и критической скорости ротора. Структурный резонанс относится к чрезмерным вибрациям невращающихся компонентов, обычно компонентов машин или несущих конструкций. Критическая скорость ротора относится к состоянию, при котором скорость вращающегося элемента машины соответствует собственной частоте ротора.

 

Структурный резонанс или критическая скорость ротора?

Структурный резонанс является более распространенным резонансным состоянием из-за сложной конструкции корпуса и опорных элементов. Чаще всего конструкция, поддерживающая машину или невращающийся компонент машины, находится в резонансе со скоростью вращения машины или близкой к ней. Даже незначительные вибрационные силы из-за остаточного дисбаланса и несоосности машины могут возбудить резонансную конструкцию основания, что приведет к сильной вибрации. Хорошим примером структурного резонанса является вибрация частоты язычка, которая часто возникает в вертикальных турбинных насосах, двигатель которых установлен на верхней части нагнетательного колена. Компоненты машины также могут быть резонансными. Существует множество примеров двухполюсных электродвигателей, в которых резонансный концевой кронштейн вызывал очень сильную осевую вибрацию при 1 или 2 об/мин.

Критическая скорость ротора существует, когда резонансным компонентом является вращающийся элемент машины. Это характерно для центробежных насосов; газовые и паровые турбины; и большие двухполюсные электродвигатели. Хотя результат аналогичен структурному резонансу (высокая вибрация при достижении определенной рабочей скорости), критическая скорость ротора является более сложным явлением из-за чувствительных к скорости компонентов, таких как подшипники. Когда рабочая скорость достигает резонансной частоты вращающегося элемента, вращающийся элемент искажается, и вибрационные силы значительно возрастают.

Важно правильно различать структурный резонанс и критическую скорость ротора. Термин «критическая скорость» (без слова «ротор») несколько двусмыслен. Технически критическая скорость может быть либо структурным резонансом, либо критической скоростью ротора. Для ясности лучше избегать использования этого термина. Простой термин «резонанс» может применяться к обоим состояниям, чтобы избежать путаницы.

 

Характеристики резонанса

Как описано выше, наиболее заметной характеристикой резонанса является усиление вибрации при достижении определенной рабочей скорости. Кроме того, по мере того, как рабочая скорость превышает резонансную частоту, амплитуда вибрации несколько уменьшается. График Боде на рис. 1 показывает зависимость рабочей скорости от амплитуды. Для наглядности предположим, что возбуждающая сила представляет собой остаточный дисбаланс ротора при частоте вращения.

Формула для расчета собственной частоты:

 

Где «K» — жесткость резонансной конструкции или компонента, а «W» — вес (масса). Обратите внимание, что в основе этой формулы лежит: 

Таким образом, увеличение жесткости повысит собственную частоту, а увеличение массы понизит ее. Это логично, поскольку жесткость создает силу, всегда направленную против движения, а масса обладает инерцией, то есть силой, всегда направленной вместе с движением. Резонанс — это то, что происходит, когда эти две противоположные силы равны. Они компенсируют друг друга, позволяя вибрации увеличиваться.

 

Рис. 1. Диаграмма Боде резонанса

 

Коэффициент демпфирования 

Третья сила, демпфирование, действует во всем диапазоне скоростей. Демпфирование поглощает вибрационную энергию, преобразовывая ее в тепло. При этом демпфирование снижает максимальную амплитуду вибрации при резонансе и увеличивает ширину зоны усиления (см. рис. 2). Типичным примером демпфирования являются амортизаторы автомобиля. Машины с подшипниками скольжения могут иметь значительное демпфирование, которое может даже маскировать критические скорости. На основаниях машин бетон и цементный раствор значительно демпфируют базовую конструкцию. Эти силы (жесткость, масса и демпфирование) определяют характеристики резонанса и важны для различия между структурным резонансом и критическими скоростями ротора.

 

Рис. 2. Влияние демпфирования на резонанс

 

При структурном резонансе машина работает на частоте, близкой к резонансной. Это наиболее заметно при низком демпфировании, поскольку в результате возникает большая амплитуда колебаний. Два жестких режима можно описать как подпрыгивание и раскачивание. Решения включают изменение резонансной частоты, чтобы отодвинуть ее от рабочей скорости, путем изменения жесткости или массы и увеличения демпфирования для непосредственного уменьшения амплитуды. (Различные методы реализации этих корректирующих мер являются темами для отдельной статьи. Целью этой статьи является сравнение с критическими скоростями ротора.) 

При критической скорости ротора проблема в другом. Во-первых, жесткость, масса и демпфирование роторов, установленных на подшипниках качения, почти никогда не могут быть эффективно изменены, а демпфирование обычно очень низкое. (Примечание. Собственные частоты установленных роторов больших машин с подшипниками скольжения обычно можно до некоторой степени изменить, изменив динамику подшипников.) Во-вторых, ни один ротор не проектируется намеренно так, чтобы его критическая скорость была близка к его рабочей скорости. Проблема в данном случае заключается не в том, что рабочая скорость близка к резонансной, а в том, что при критической частоте ротора ротор искажается и нелинейные эффекты вызывают чрезмерную вибрацию. В этот момент он становится гибким ротором, а не жестким ротором.

Жесткий ротор работает ниже первой критической скорости ротора и может иметь многочисленные дисбалансные силы, распределенные вдоль его оси. Сумма этих дисбалансных сил может быть скорректирована в любых двух плоскостях с помощью обычных двухплоскостных методов динамической балансировки. В этих жестких режимах ротор может слегка изгибаться, но движения подшипников точно отражают состояние дисбаланса. Однако, как только ротор станет гибким, выше первой критической скорости ротора, распределение сил дисбаланса будет деформировать ротор, вызывая неуравновешенное состояние, которого не было в жестких режимах. Этот гибкий режим дисбаланса вызывает повышенную вибрацию, которая сохраняется на более высоких скоростях.

При структурном резонансе сила постоянна, а вибрационный отклик конструкции изменяется со скоростью. При критической скорости ротора сила изменяется по мере того, как ротор искажается, чтобы соответствовать неуравновешенным силам, распределенным вдоль оси ротора. Решение проблемы критической скорости ротора заключается в устранении сил дисбаланса в плоскостях вдоль оси ротора. Обычно невозможно определить, где находятся силы дисбаланса с ротором в жестком режиме, поэтому ротор должен работать выше критической скорости ротора (в гибком режиме), чтобы обнаружить эффекты дисбаланса.

 

Режимы изгиба 

По мере увеличения скорости вращения ротора он проходит ряд режимов изгиба: первый режим изгиба, второй режим изгиба, третий режим изгиба и так далее (см. рис. 3).

 

Рисунок 3. Примеры серии режимов изгиба

 

Роторы многоступенчатых насосов и газовых и паровых турбин могут работать выше критической скорости первого или второго ротора, а генераторы иногда работают выше критической скорости третьего ротора.

Роторы для больших двухполюсных электродвигателей обычно могут работать выше первой критической скорости ротора, но редко выше второй. Роторы, которые предназначены для такой гибкой работы ротора, имеют дополнительные плоскости балансировки для проведения процедур динамической балансировки, которые устраняют остаточные силы дисбаланса, вызывающие деформацию гибкого ротора.

Эти процедуры динамической балансировки могут потребовать, чтобы ротор вращался с рабочей скоростью, что может быть безопасно выполнено только с помощью специально разработанных балансировочных машин в прядильной яме.