Примеры резонанс: что это в физике, формулы, виды, примеры

Содержание

Примеры резонансов – Энциклопедия по машиностроению XXL

Г Т данном примере резонанс не наступил  [c.478]

Пример резонанс в диэлектрическом цилиндре. В качестве примера рассмотрим задачу о диэлектрическом круге в вакууме. Собственные функции легко находятся в явном виде  [c.97]

Другой, чрезвычайно важный, пример резонанса, понимаемого в широком смысле разгон ионов и электронов в циклотроне и синхротроне ) под действием магнитного поля (постоянного в циклотроне, плавно нарастающего в синхротроне) и синусоидального электрического поля, изменяющегося в подходящем темпе.  [c.104]


Второй пример резонанс маятника под действием периодических толчков. Рассмотрим со спектральной точки зрения действие периодических толчков на маятник (гл. III, 4). Разложение в ряд Фурье силы /(i) имеет здесь вид, указанный в 2 (если исключить гармоники очень высокого номера — те, периоды которых сравнимы с длительностью толчка или меньше его).
Результаты этого параграфа указывают, что резонанс наступает при значениях собственной частоты маятника равных ш, 2ш, Зш,… При каждой из этих настроек маятник совершает сильные колебания, весьма близкие к синусоидальным частотам ш, 2ш, Зш,. ..  [c.507]

Хороший пример резонанса Ферми дает колебательный спектр как мы знаем, на основе классификации колебании к 4.4) у молеку-  [c.107]

Второй возможный способ объяснения зависимости, изображенной на рис. 2.26 основывается на эффекте аэроакустического резонанса. Наиболее типичный пример такого эффекта — возбуждение клиновых тонов (рис. 3.27).  

[c.137]

Противоположный пример мы имеем в радиотехнике, где резонанс оказывается очень полезным и используется для отделения сигналов одной радиостанции от сигналов всех остальных (настройка приемника).  [c.248]

До сих пор мы рассматривали системы, имеющие только одну степень свободы, и на примерах убедились в том, что основной характеристикой колебательной системы является частота ее собственных колебаний. В зависимости от частоты собственных колебаний определяется степень опасности возникновения резонанса и величина напряжений при вынужденных колебаниях.  

[c.475]

Вместе с тем раскачка системы возможна и в том случае, когда внешняя сила будет достигать максимума не в такт каждому отклонению, а через один, два, три такта. Следовательно, в параметрических колебаниях существует не одно резонансное состояние, а целый ряд состояний. Более детальное исследование вопроса показывает, что резонансное состояние наступает не только при точном выполнении указанных соотношений частот. Существуют целые области резонансных состояний. Ширина этих областей зависит от амплитуды параметрического воздействия (в рассматриваемом примере от величины Ро)- Наиболее существенным является резонанс при отношении  

[c.497]

Рассмотренная система с параметрическим возбуждением не является единственной в своем роде. Можно указать на целый ряд простых и сложных систем, в которых возможно возникновение параметрического резонанса. На рис. 558 показано три таких примера.  [c.498]

В реальности всегда существуют силы сопротивления. Их роль в развитии резонанса проанализируем на примере осциллятора с вязким трением  [c.235]


Где ш, е, п — постоянные параметры. Используем результаты предыдущего примера и проанализируем возможность появления резонанса для уравнения Мейсснера, аналогичного уравнению Матье  
[c.248]

Теперь мы можем воспользоваться критерием параметрического резонанса. Как и в примере 3.10.2, построим матрицу монодромии. Пусть решения у 1([c.252]

В соответствии с теоремой 3.10.2 изучим сначала условие резонанса ац + й22 > 2. Как и в примере 3.10.2, обозначим тх = Т2 = а. 2 2-Рассматриваемое условие резонанса принимает вид  [c.253]

После сравнения полученных формул с аналогичными формулами примера 3.

10.2 видим, что заштрихованные области на рис.3 10.1 вместе с их границей дают правильное представление об условиях резонанса и в рассматриваемом случае.С>  [c.253]

Из приведенного примера видно, что параметрический резонанс возникает при некотором соотношении между периодом колебаний маятника Т и периодом возмущающей силы Т, Очевидно, это соотношение имеет следующий вид  [c.309]

Обычный резонанс возникает при точном совпадении частоты свободных колебаний и частоты возмущающей силы, если полагать отсутствующими диссипативные силы. В случае параметрического резонанса существуют области частот возмущающей силы, при которых возникают явления резонанса. При этом из приведенного примера видно, что резонанс может возникнуть при частоте возмущающей силы, вдвое большей частоты свободных колебаний.  

[c.321]

Пример 90. Каков должен быть статический прогиб рессор железнодорожных вагонов для того, чтобы при скорости V = 16,7 м/с (приблизительно 60 км/час) и длине I каждого рельса в 12 м вагон не попадал в резонанс с толчками на стыках  [c. 81]

Пример 3. Устойчивость резонанса. Рассмотрим простейший линейный колебательный контур, на который действует возмущение, изменяющееся по гармоническому закону. Дифференциальное уравнение движения имеет вид  [c.149]

Простейшим примером ядерного взаимодействия является сильное притяжение между нуклонами, находящимися на очень малых (10 см) расстояниях друг от друга внутри атомного ядра. В дальнейшем (часть третья) мы узнаем, что существуют и другие частицы (я- и /С-мезоны, гипероны, антинуклоны, антигипероны, квазичастицы, или резонансы), которые также участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Переносчиками ядерного взаимодействия, т. е. ядерными квантами, являются я-ме-зоны (см. 79).  [c.201]

Резонансный характер изменения сечения ядерной реакции при изменении кинетической энергии бомбардирующей частицы впервые был установлен именно на примере (а, р)-реакций на легких ядрах. Однако правильное объяснение механизма возникновения резонансов было дано Бором значительно позже (1936 г.

). Это связано с тем, что ширина уровней и расстояние между ними для промежуточного ядра, образующегося в рассматриваемых реакциях, отличаются от соответствующих величин для реакций, идущих под действием медленных нейтронов на тяжелых ядрах, значительно большей величиной (Г 1 кэв, А 0,1 — 1 Мэе).  [c.443]

Существует два основных метода выявления и исследования резонансов метод недостающей массы и метод эффективной массы. Рассмотрим их на примере реакций  

[c.280]

Рассмотрим в качестве примера параметрических колебаний стержень постоянного сечения, лежащий на упругом основании (рис. 7.29). Стержень нагружен осевой периодической силой. Требуется получить области главного параметрического резонанса методом Рэлея, ограничившись первым приближением (одночленным). Уравнение изгибных параметрических колебаний стержня имеет вид  [c.230]

Пример 14.6. Определить, какова должна быть величина статического прогиба рессор железнодорожного вагона, чтобы при скорости вагона ло 40 м/с вагон не попадал в резонанс с толчками иа стыках рельсов. Длина рельса l=i2 м.  [c.271]

Примеры. 48.1. Груз массы /и =0,5 кг, подвешенный на пружине, погружен в масло. На верхний конец пружины действует вынуждающая сила, изменяющаяся со временем по закону F = =0,98 sin (ut. Жесткость пружины k = 49 Н/м, а коэффициент сопротивления масла г = 0,5 кг/с. Найти частоту изменения вынуждающей силы, при которой возникает резонанс, н амплитуды колебания груза при резонансе. Определить амплитуду вынужденных колебаний груза при частоте изменения вынуждающей силы, вдвое большей и вдвое меньшей резонансной частоты.  [c.192]


Когда требуется усилить один определенный тон, выгодно использовать явление резонанса. Для этого нужен такой излучатель, частота собственных колебаний которого равна частоте усиливаемого звука. Примером такого излучателя является резонансный ящик камертона. В том же случае, когда необходимо в равной мере усиливать различные звуки (например, звуки человеческой речи), нужно, наоборот, всячески избегать явлений резонанса.
Только при этом возможно воспроизвести правильное соотношение амплитуд составляющих колебаний. Следовательно, для равномерного усиления различных звуков колебания мембраны должны быстро затухать, а частота ее собственных колебаний должна быть больше частоты воспроизводимых звуков.  
[c.236]

Несравненно большей точностью обладают методы, основанные на явлении ядерного магнитного, резонанса, состоящего в том,что спин ядра, находящегося в сильном постоянном магнитном поле, может опрокидываться под действием слабого высокочастотного поля определенной (резонансной) частоты. Для примера  [c.51]

Даже в окрестности резонанса форма сечения может отличаться от брейт-вигнеровской (4.43). Это наблюдается в том случае, когда, например, наряду с резонансным рассеянием имеется большой фон нерезонансного рассеяния. Для примера на рис. 4.12 приведено сечение упругого рассеяния медленных нейтронов на ядре изотопа урана Асимметричная форма резонансных пиков есть  [c. 144]

В этом простом случае флаттер имеет характер резонанса. Возможно, простейшим примером резонанса является маятник, точка опоры которого продолжает совершать колебательное движение с частотой, равной частоте маятника. Легко доказать эксиернментальпо, что в этом случае маятник будет испытывать значительные колебания. Явление резонанса ловко используют люди, иредсказываюгцие с помогцью маятника скрытые процессы. Например, они предсказывают сугцество-вапие воды или руды под землей. Они настраивают маятник на частоту своего пульса, так что малейшее движение руки заставляет маятник колебаться со значительной амплитудой. Наш простой случай с флаттером основан па подобном же принципе.  [c.163]

Преобразование к резонансным переменным — не единственный способ описания топологических изменений адиабатического инварианта вблизи резонанса. Имеется определенная свобода выбора инварианта, так как если / — инвариант невозмущенной системы, то и любая функция / (J) тоже инвариант. Выбирая йПси =0 вблизи резонансных значений J, можно учесть изменения в топологии возмущенной системы. Этот метод, разработанный Дуннетом и др. [111 ] (метод ДЛТ), описан в п. 2.4г и иллюстрируется на том же примере резонанса волна—частица.  [c.122]

Некоторые формы собственных колебаний того и другого типов показаны на рис. 94 это—фотографии хладнле-вых фигур, полученных на вращающемся кон сном громкоговорителе с вертикально ориентированной осью==). Формы а и Ь соответствуют резонансам второго типа (следует обратить внимание на скопление порошка в центральной части диафрагмы, что свидетельствует о малости амплитуд катушки) форма I получается при более высокой частоте, нежели форма а. Форма с иллюстрирует одну из очень сложных конфигураций, получающихся при наложении радиальных и тангенциальных волн. Наконец, форма с1, наблюдаемая при достаточно высоких частотах, представляет пример резонанса первого типа с 8 узловыми кругами.  [c.196]

Пример 15. 4. На двух балках (рис. 538) установлен двигател ,, в котором имеется несбалансированная вращающаяся масса m(,g= 40 к Г). Радиус дисбаланса г = 0,1 см. Число оборотов массы н = 3000 оЩмин. Вес двигателя 180 кГ. Длина балок I = 1,5 м. В качестве профиля выбран швеллер К 12 (см. таблицу в приложениях). Для сечения каждой балки У ,. = 304 сж . Требуется произвести проверку на резонанс.  [c.472]

Пример 164. Для определения коэффициента вязкости жидкости наблюдают колебания диска, подвешенного на упругой вертикальной проволоке в жидкости. К диску приложен переменный момент, равный /М sin (/ /) (УИ = onst), при котсором наблюдается явление резонанса. Момент сопротивления движению диска в жидкости равен S o, где р, — коэффициент вязкости жидкости, S — сумма площадей верхнего и нижнего оснований диска, ш — его угловая скорость.  [c.348]

Реакция с ядрами gLi является исторически первой реакцией, осуществленной в 1932 г. Э. Уолтоном и Д. Кокрофтом с искусственно ускоренными протонами. В этой реакции наблюдается резонанс при энергии протонов 3 Мэе, что соответствует уровню энергии ядра 4Ве на высоте 19,8 Мэе. Третья из выписанных реакций является примером реакции с резко выраженными резонансами. Испускаемые при этом а-частицы по величине энергии можно подразделить на пять групп 8,12 Мэе-, 1,97 Мэе 1,21 Мэе и т. д. При испускании а-частиц с S -= 8,12 Мэе возникающее ядро оказывается в нормальном состоянии, при испускании же а-частиц с меньшей энергией ядро оказывается в возбужденном состоянии.  [c.285]

Устойчивость 1шнейных автономных систем. Устойчивость резонанса. Примеры  [c.142]

Рассмотрение частного случая. Рассмотрим в качестве примера соль СиС12-2НзО, свойства которой хорошо изучены и которая не представляег собой слишком сложный случай антиферромагнетизма. Решетка этой солп обладает орторомбической симметрией. В Лейдене были изучены намагниченность в постоянных п переменных магнитных полях [137, 138], теплоемкость [139], электронный резонанс [140, 141] п протонный резонанс [142, 143] этой соли.[c.412]

Если б мало по сравнению с единицей, то наибольшая амплитуда вынужденных колебаний во много раз превышает статическое отклонение Хо- Прослеженная нами на частном примере зависимость амплитуды вынужденных колебаний от соотношения между со и Шо оказывается характерной для так называемых резонансных аспектов, наблюдаемых при вынужденных колебаниях разнообразных колебательных систем. Возрастание амплитуд вынужденных колебаний в области, где ш близко к Шц, представляет собой наиболее типичную черту явмния резонанса. Кривые, подобные изображенной на рис. 388, называются амплитудными резонансными кривыми.  [c.607]

Для вынужденных колебаний в линейной колебательной системе в области резонанса это сразу видно из полученных выше зависимостей амплитуды и фазы вынужденных колебаний от частоты виеншей силы (графики этих зависимостей приведены на рис. 388 и 389). Вследствие сильной зависимости амплитуды и фазы вынужденных колебаний от Частоты, соотношение между амплитудами и фазами разных гармоник в спектре внешней силы н в спектре вынужденных колебаний нарушается и форма вынужденных колебаний может очень существенно отличаться от формы внешней силы. Пример этого был приведен выше для маятника, раскачиваемого толчками, при малом затухании форма вынужденных колебаний будет близка к гармонической.  [c.621]


Параметрические колебания возбуждаются в системе только при определенном соотношении между частотой изменения параметра систе.мы и частотой собственных колебаний системы, и в этом отношении они сходны с явлением резонанса.. В примере с маятником частота изменения его длины вдвое превышала частоту собственных колебаний, так как полупериоду колебания маятника еоответство-вал полный период изменения его длины. В примере с качелями частота изменения параметра также вдвое превышала частоту собственных колебаний системы.  [c.192]

Ри была обнаружена промежуточная структура, а у ядер 230ХН и других — подбарьерные резонансы. Пример промежуточной структуры в сечении деления ядер вц приведен на рис. 40.2. Эти явления нашли объяснения в модели двугорбого барьера [3, 14]. В табл. 40. 6 приведен ряд основных характеристик делящихся ядер при взаимодействии ззу с тепловыми нейт-  [c.1093]

Резонанс напряжения на емкости с1макс С л получается при 7 =1 —1/2Q , т. е. при более низкой чем со,, частоте р, а резонанс напряжения на индуктивности ul макс при у = = 1/(1 — 1/2Q2), т. е. на более высокой чем щ частоте р. Все три максимума совпадают только при Qq- -oo (практически при Qo>10 )- На этом примере легко убедиться в том, что при небольших величинах добротности электрических колебательных контуров (Qn = 2 — 5) резонансные максимумы Ul, с, ur отличаются друг от друга по частоте на несколько процентов, что может быть весьма существенно при использовании таких систем в радиоизмерительных устройствах.  [c.85]

Полученное уравнение является дифференциальным уравнением вынужденных колебаний. Общее решение соответствующего однородного уравнения Xi = А sin kt -j- а), а частное решение зависит от соотношения р и А . В примере р = к, т. е. ил1еем случай резонанса. Так как сопротивление отсутствует, то Х2 = = —[lit/ 2p)] os pt н общее решение принимает вид  [c.140]


Явление резонанса – Основы электроники

  

Явления резонанса связаны с периодическим колебательным движением электронов в контуре и состоят в том, что электроны в данном колебательном контуре легче всего «раскачиваются» с какой-то определенной частотой, которую мы называем резонансной. С периодическим колебательным движением мы встречаемся повсеместно. Колебания маятника, дрожание струны, движение качелей — все это примеры колебательного движения.

Для примера рассмотрим колебательную систему, изображенную на рисунке 1. Эта система, как мы увидим дальше, имеет много общего с электрическим колебательным контуром. Состоит она из пружины и массивного шара, закрепленного на стержне.

Рисунок 1. Механическая модель колебательного контура. Масса-индуктивность, гибкость-емкость, трение-сопротивление.

 

Если мы оттянем шар в низ от положения равновесия, то он под действием пружины немедленно устремится обратно; однако приобретя некоторую скорость шар не остановится в точке равновесия, а по инерции проскочит дальше, чем вызовет новую деформацию (сжатие) пружины. Затем этот процесс повторится в обратном направлении и т. д. Шар будет колебаться в ту и другую сторону до тех пор, пока не израсходуется на трение весь запас энергии, сообщенной пружине при отклонении шара.

Нетрудно заметить, что при колебаниях шара энергия, сообщенная системе, все время переходит из энергии деформации (сжатия и растяжения) пружины в энергию движения шара и обратно. В механике первый вид энергии называется потенциальной энергией, а второй вид — кинетической.

 

В то время, когда шар находится в одном из крайних положений, он на мгновение останавливается. В этот момент энергия его движения равна нулю. Зато пружина в этот момент очень сильно деформирована: или сжата или растянута; в ней, следовательно, заключено наибольшее количество энергии. В тот же момент, когда шар с наибольшей скоростью проходит через положение равновесия, он обладает наибольшей энергией, но зато энергия пружины в этот момент равна нулю, так как она не сжата и не растянута.

Отклоняя шар на различные расстояния и наблюдая каждый раз за частотой последующих свободных колебаний системы, мы заметим, что частота колебаний системы остается все время одной и той же. Иными словами, она не зависит от величины начального отклонения. Эту частоту мы будем называть собственной частотой колебаний системы.

Если бы мы имели в своем распоряжении не одну такую систему, а несколько, то мы могли бы убедиться в том, что собственная частота свободных колебаний системы уменьшается с увеличением массы шара и увеличивается с увеличением упругости, т. е. с уменьшением гибкости пружины. Эта зависимость может быть обнаружена и на более простом примере с колеблющимися струнами различной толщины и различной степени натяжения.

Если мы пожелаем раскачать шар с наименьшей затратой усилий, то мы, безусловно, постараемся, во-первых, установить строгую периодичность наших толчков, т. е. постараемся, чтобы толчки следовали друг за другом через определенное время, а во-вторых, постараемся, чтобы промежуток времени между толчками равнялся периоду собственных колебаний системы (Рисунок 2).

Рисунок 2. Механическая модель колебательного контура с незатухающими колебаниями. Частота вынужденной силы равна собсвенной частоте системы (резонанс).

 

Для того чтобы раскачать колебательную систему с наименьшей затратой усилий, нужно частоту вынуждающей силы сделать равной собственной частоте колебания системы. Это правило очень хорошо известно всем нам еще с детского возраста, когда мы его применяли, раскачиваясь на качелях.

Рисунок 3. Явление резонанса на примере качелей.

 

Итак, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебаний системы, амплитуда колебаний становится наибольшей.

Таким образом, необходимо сказать, что совпадение частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебаний системы и является резонансом.

За примерами резонанса ходить далеко не нужно. Оконное стекло, дрожащее с определенной частотой каждый раз, когда мимо проезжает трамвай или грузовая машина; дрожание струны музыкального инструмента после того, как мы прикоснулись к соседней струне, настроенной в унисон с первой, и т. п. — все это явления резонанса.

Зарядим конденсатор некоторым количеством электричества (рис.4, а) и замкнем его после этого на катушку индуктивности (рис.4, б). Конденсатор начнет немедленно разряжаться. Через катушку индуктивности потечет разрядный ток, а появление тока в катушке приведет к возникновению магнитного поля вокруг нее. При этом в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая будет задерживать разряд конденсатора. Когда конденсатор разрядится, то ток в катушке не прекратится, так как он будет теперь поддерживаться ЭДС самоиндукции за счет энергии, запасенной в магнитном поле катушки во время разряда конденсатора. Этот продолжающийся ток перезарядит конденсатор в обратном направлении, т. е. та пластина, которая была прежде положительной, станет отрицательной, и наоборот (рис.4, в).

Рисунок 4. Свободные колебания. Вверху – электрические, внизу – механические.

 

После этого конденсатор снова начнет разряжаться, снова перезарядится (рис.4, г, д) и т. д. Колебания тока в контуре будут продолжаться до тех пор, пока вся электрическая энергия, сообщенная контуру при заряде конденсатора, не превратится в тепловую энергию. Это произойдет тем скорее, чем больше активное сопротивление контура.

Итак, разряд конденсатора через катушку индуктивности является колебательным процессом. Во время этого процесса конденсатор несколько раз заряжается и разряжается, энергия поочередно переходит из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки и обратно.

Рисунок 5. Колебания в колебательном контуре.

 

Колебания тока, имеющие место при этом разряде, носят затухающий характер (рис. 6).

Рисунок 6. Затухающие колебания в контуре.

 

Частота колебаний при выбранных величинах емкости и индуктивности является величиной вполне определенной и называется собственной частотой контура. Собственная частота контура будет тем больше, чем меньше величины емкости и индуктивности контура.

Если в колебательный контур ввести источник переменного тока, частота которого совпадает с собственной частотой контура, то колебания в контуре достигнут наибольшей величины, т. е. будет иметь место явление резонанса.

Между электрическими и механическими колебаниями может быть проведена далеко идущая параллель.

В табл. 1 слева даны электрические величины и явления, а справа аналогичные им величины и явления из области механики применительно к нашей механической модели колебательного контура.

Аналогия электрических и механических величин
Электрические величины Механические величины
Индуктивность колебательного контура Масса шара;
Емкость колебательного контура Гибкость пружин
Активное сопротивление контура Механическое трение
Пластины конденсатора Пружины
Заряд конденсатора Деформация (сжатие и растяжение) пружин
Положительный заряд пластин Сжатие пружины
Отрицательный заряд пластины Растяжение пружины
Сила тока Скорость движения шара
Направление тока Направление движения шара
Электродвижущая сила самоиндукции Сила инерции шара
Амплитуда (наибольшее мгновенное значение тока) Амплитуда (наибольшее отклонение шара от положения равновесия)
Частота (число циклов в секунду) Частота (число колебаний в се¬кунду)
Резонанс (совпадение частоты внешней ЭДС с собственной частотой конура) Резонанс (совпадение частоты толчков вынуждающей силы с собственной частотой колебаний шара)

Различные моменты электрического колебания и соответствующие им моменты колебания нашей механической модели колебательного контура изображены на рис. 4.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Примеры полезного действия резонанса. Теория возникновения резонанса, его применение в жизни

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Магнитно-резонансная томография, или ее сокращенное название МРТ, считается одним из самых надежных методов лучевой диагностики. Очевидным плюсом использования такого способа проверить состояние организма является то, что оно не является ионизирующим излучением и дает довольно точные результаты при исследовании мышечной и суставной системы организма, помогает с высокой вероятностью диагностировать различные заболевания позвоночника и центральной нервной системы.

Сам процесс обследования довольно прост и абсолютно безболезненный – все, что вы услышите, лишь сильный шум, но от него хорошо защищают наушники, которые выдаст вам перед процедурой врач. Возможны только два вида неудобств, которых не получится избежать. В первую очередь это касается тех людей, которые боятся замкнутых пространств – диагностируемый пациент ложится на горизонтальную лежанку и автоматические реле передвигают его внутрь узкой трубы с сильным магнитным полем, где он находится примерно в течение 20 минут. Во время диагностики не следует шевелиться, чтобы результаты получились как можно точнее. Второе неудобство, которое вызывает резонансная томография при исследовании малого таза, это необходимость наполненности мочевого пузыря.

Если ваши близкие желают присутствовать при диагностировании, они обязаны подписать информационный документ, согласно которому они ознакомлены с правилами поведения в диагностическом кабинете и не имеют никаких противопоказаний для нахождения рядом с сильным магнитным полем. Одной из причин невозможности нахождения в помещении управления МРТ является наличие в организме посторонних металлических компонентов.

Использование резонанса в радиосвязи

Явление электрического резонанса широко используется при осуществлении радиосвязи. Радиоволны от различных передающих станций возбуждают в антенне радиоприемника переменные токи различных частот, так как каждая передающая радиостанция работает на своей частоте. С антенной индуктивно связан колебательный контур (рис. 4.20). Вследствие электромагнитной индукции в контурной катушке возникают переменные ЭДС соответствующих частот и вынужденные колебания силы тока тех же частот. Но только при резонансе колебания силы тока в контуре и напряжения в нем будут значительными, т. е. из колебаний различных частот, возбуждаемых в антенне, контур выделяет только те, частота которых равна его собственной частоте. Настройка контура на нужную частоту обычно осуществляется путем изменения емкости конденсатора. В этом обычно состоит настройка радиоприемника на определенную радиостанцию. Необходимость учета возможности резонанса в электрической цепи. В некоторых случаях резонанс в электрической цепи может принести большой вред. Если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса, то его возникновение может привести к аварии.

Чрезмерно большие токи могут перегреть провода. Большие напряжения приводят к пробою изоляции.

Такого рода аварии нередко случались еще сравнительно недавно, когда плохо представляли себе законы электрических колебаний и не умели правильно рассчитывать электрические цепи.

При вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебаний. На явлении резонанса основана вся радиосвязь.

Федотова Виктория

Цель: Изучить информацию о механическом резонансе, его применением и учете.

Задачи: 1. Собрать и систематизировать информацию о применении и учете механического резонанса в природе, быту и технике.

2. Продемонстрировать опыты по наблюдению механического резонанса.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com


Подписи к слайдам:

Механический резонанс

1602 В 4 F тр max

Механический резонанс польза вред

20 января (2 февраля) 1905 года по Египетскому цепному мосту в Санкт – Петербурге проходил эскадрон гвардейской кавалерии

Разрушения Такомского моста в Америке в 1940 году

В 2010 году «танцевал» мост в Волгограде

Резонанс в технике 1. 2. 3. 4.

Иерихонские трубы

Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов

Частотомер

Звуковой резонанс

Механический резонанс польза вред П рименяют Учитывают и уменьшают

Предварительный просмотр:

Проект по физике «Механический резонанс»

Цель: Изучить информацию о механическом резонансе, его применением и учете.

Задачи: 1. Собрать и систематизировать информацию о применении и учете механического резонанса в природе, быту и технике.

2. Продемонстрировать опыты по наблюдению механического резонанса.

Каждый из нас любит веселое занятие – раскачивание на качелях. Развлекая себя или ребенка, мы прилагаем силу нужного направления в строго определенный момент. Очень странно выглядел бы человек, который пытается раскачать качели, подталкивая их не вовремя. Почему прикладывая силу не вовремя нельзя раскачать качели? Этот вопрос долго оставался без ответа, пока на уроке физики мы не изучили резонанс. Это явление природы очень загадочно. Мы решили немного приподнять завесу тайны.

Механическим резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда частота вынужденных колебаний совпадает с собственной частотой физической системы. Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн. Наиболее отчетливо резонанс наблюдается, если трение в системе минимально.

Для предотвращения этого явления либо увеличивают трение, либо изменяют параметры самой колебательной системы.

Как любое природное явление, резонанс не может быть однозначно полезным или вредным, он имеет свои плюсы и минусы. Когда он вреден, его учитывают и стараются предотвратить, если полезен – применяют.

Каждая деталь, механизм, машина или постройка имеют собственную частоту колебания. Если они при работе попадают под действие вынуждающей силы, весьма опасными могут быть последствия при совпадении частот.

20 января (2 февраля) 1905 года по Египетскому цепному мосту в Санкт – Петербурге проходил эскадрон гвардейской кавалерии, навстречу ему двигались 11 саней с возницами. В этот момент мост рухнул на лёд Фонтанки. Основная версия заключается в том, что конструкция моста не выдержала слишком ритмичных колебаний от слаженного шага военных, отчего в ней произошел резонанс. Эта версия была включена в школьную программу по физике в качестве наглядного примера, кроме того, была введена новая военная команда «идти не в ногу», она даётся строевой колонне перед выходом на любой мост. Разрушения Такомского моста произошло из-за того же резонанса в Америке в 1940 году, моста в Анжере, во Франции в 1850 году. В 2010 году «танцевал» мост в Волгограде.

Механический резонанс может возникнуть, например, в процессе разгона ротора механизма при какой-то промежуточной частоте вращения; с увеличением частоты резонанс прекращается. Резонанс может возникнуть не во всем механизме, а только в какой-либо его части; при резонансе она может отломиться.

Некоторые летчики-испытатели с ужасом сообщали, что при полете их самолет вдруг начинало сильно трясти, и через несколько минут он буквально рассыпался в воздухе. Расследования таких случаев дали ответ о виновнике аварии: это был резонанс. При работе двигателей совпали частоты их колебаний с собственной частотой колебаний корпуса самолета. Размах колебаний все увеличивался, и самолет просто рассыпался в воздухе. Известны случаи, когда приходилось перестраивать океанские лайнеры, чтобы уменьшить вибрацию. Любое тело имеет свою собственную частоту колебаний. И если суметь подобрать такую же частоту внешней силы, разрушение будет неизбежно. Ярчайшим примером тому служат Иерихонские трубы. По преданию, когда они затрубили, стены Иерихона рухнули. Таким же образом можно разбить стакан. А любители Шрека вспомнили птичку, которая лопнула от пения Фионы Отклик, называемый резонансом, проявляется и так. Вот загудело-завибрировало оконное стекло без каких-либо ударов или других заметных воздействий; а вот при прослушивании негромкой музыки начал откликаться бокал, стоящий в шкафу, причем на одной и той же ноте.

Перенесемся мысленно в древний Рим, где на сцене Колизея игрались различные трагедии. Громадный амфитеатр устроен таким образом, что все присутствующие слышат даже шепотом произнесенное слово на сцене. Здесь работает резонанс. Ведь и современные концертные залы строят по особым законам, создавая условия для резонанса. Да и мы с вами используем его для общения. При говоре или пении мы округляем рот, усиливая звук. Обезьяны-ревуны пользуются этим явлением гораздо лучше нас, их рев разносится на несколько километров. Да и обычные лягушки в брачный период издают достаточно громкие крики. У тех и других есть резонаторный мешок, который они раздувают при вопле. Люди подсмотрели в природе явление резонанса и стали использовать его в своих целях. Многие из нас неоднократно любовались изящными формами музыкальных инструментов, но лишь некоторые задают себе вопрос: «А для чего скрипке нужна такая форма?» И тут все дело в резонансе. Звуки разной высоты резонируют в разных местах причудливо изогнутого инструмента. Все усилители звука имеют размеры, подходящие для резонанса. Стоит только немного их изменить, звук тут же «исчезает». Шум морской раковины тоже порожден резонансом.

На явлении резонанса основано действие прибора, позволяющего измерять частоту колебаний. Этот прибор называется частотомером . Частоту механических колебаний обычно измеряют с помощью вибрационных механических и электрических частотомеров ., используемых совместно с преобразователями механических колебаний в электрические. Простейший вибрационный механический частотомер, действие которого основано на резонансе, представляет собой ряд упругих пластин, укрепленных одним концом на общем основании. Пластины подбирают по длине и массе так, чтобы частоты их собственных колебаний составили некую дискретную шкалу, по которой и определяют значение измеряемой частоты. Механические колебания, воздействующие на основание частотомера , вызывают вибрацию упругих пластин, при этом наибольшая амплитуда колебаний наблюдается у той пластины, у которой частота собственных колебаний равна (или близка по значению) измеряемой частоте.

Опыты по наблюдению резонанса .

  1. Подвесим к веревке, закрепленной в стойках, несколько маятников разной длины. Отклоним маятник A от положения равновесия и предоставим его самому себе. Он будет совершать свободные колебания, действуя с некоторой периодической силой на веревку. Веревка в свою очередь будет действовать на остальные маятники. В результате все маятники начнут совершать вынужденные колебания с частотой колебаний маятника A . Мы увидим, что все маятники начнут колебаться с частотой, равной частоте колебаний маятника A . Однако их амплитуда колебаний, кроме маятника C , будет меньше, чем амплитуда колебаний маятника A . Маятник же C , длина которого равна длине маятника A , будет раскачиваться очень сильно. Следовательно, наибольшую амплитуду колебаний имеет маятник, собственная частота колебаний которого совпадает с частотой вынуждающей силы. В этом случае говорят, что наблюдается резонанс .
  2. Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Вывод: Изучив явление механического резонанса, стало понятно, что это непростое явление. О нем надо помнить и учитывать, так как оно может принести пользу и вред. Если резонанс приносит пользу, то это используют и применяют, а если вред, – то учитывают и уменьшают действие резонанса.

Как на звук и световые волны влияет принцип резонанса? Что такое вибрации и резонансные частоты объектов? Какие повседневные примеры резонанса можно встретить в жизни? Как разбить бокал с помощью голоса? Если присмотреться, то можно увидеть примеры резонанса повсюду. Вот только некоторые из них несут пользу, а другие – вред.

Что такое резонанс?

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как люди создают прекрасную музыку с помощью обыкновенных бокалов? По мере повышения воздействия на стекло звуковыми волнами оно может даже разбиться. Световые волны также взаимодействуют особыми способами с объектами вокруг себя. Поведение звуковых и световых волн объясняет, почему люди слышат звуки музыкальных инструментов и различают цвета. Изменения волновой амплитуды вызваны важным принципом, который называется резонансом. Примерами влияния на передачу звука и света являются вибрации.

Звуковые волны происходят от механических колебаний в твердых телах, жидкостях и газах. Световые волны исходят из вибрации заряженных частиц. Объекты, заряженные частицы и механические системы обычно имеют определенную частоту, на которой они склонны вибрировать. Это называется их резонансной частотой или их собственной частотой. Некоторые объекты имеют две или более резонансных частот. Пример резонанса: когда вы едете по ухабистой дороге, и ваш автомобиль начинает прыгать вверх и вниз – это пример колебания вашей машины на своей резонансной частоте, вернее резонансная частота амортизаторов. Вы можете заметить, что когда вы едете в автобусе, частота отскока немного медленнее. Это потому, что амортизаторы шины имеют более низкую резонансную частоту.

Когда звуковая или световая волна ударяет по объекту, она уже вибрирует на определенной частоте. Если эта частота будет соответствовать резонансной частоте объекта, то это приведет к тому, что вы получите резонанс. Он возникает, когда амплитуда колебаний объекта увеличивается за счет соответствующих колебаний другого объекта. Эту связь трудно представить без примера.

Резонанс и световые волны

Взять, к примеру, типичную световую волну (это поток белого света, который исходит от солнца) и направить ее на темный объект, пусть это будет черная змея. Молекулы в коже пресмыкающегося имеют набор резонансных частот. То есть электроны в атомах стремятся вибрировать на определенных частотах. Свет, спускающийся с солнца, – белый свет, который имеет многосоставную частоту.


Сюда входят красный и зеленый, синий и желтый, оранжевый и фиолетовый. Каждая из этих частот поражает кожу змеи. И каждая частота приводит к вибрации другого электрона. Желтая частота резонирует с электронами, резонансная частота которых желтая. Синяя частота резонирует с электронами, резонансная частота которых синяя. Таким образом, кожа змеи в целом резонирует с солнечным светом. Змея кажется черной, потому что ее кожа поглощает все частоты солнечного света.

Когда световые волны резонируют с объектом, они заставляют электроны вибрировать с большими амплитудами. Световая энергия поглощается объектом, и человеческому глазу не заметно, что свет возвращается обратно. Объект выглядит черным. Что делать, если объект не поглощает солнечный свет? Что если ни один из его электронов не резонирует со световыми частотами? Если резонанс не возникает, то вы получите передачу, пропускание световых волн через объект. Стекло кажется прозрачным, потому что оно не поглощает солнечный свет.

Свет все еще вызывает вибрации электронов. Но поскольку он не соответствует резонансным частотам электронов, колебания очень малы и проходят от атома к атому через весь объект. Объект без резонанса будет иметь нулевое поглощение и 100 % передачу, например стекло или вода.


Музыка и резонанс звуковых волн

Резонанс для звука работает так же, как и для света. Когда один объект вибрирует на частоте второго объекта, тогда первый заставляет второй вибрировать с высокой амплитудой. Так возникает акустический резонанс. Примером служит игра на любом музыкальном инструменте. Акустический резонанс отвечает за музыку, создаваемую трубой, флейтой, тромбоном и многими другими инструментами. Как работает это удивительное явление? Можно привести пример резонанса, который имеет положительный эффект.

Пройдя в собор, где играет органная музыка, можно заметить, что вся стена заполнена огромными трубами всех размеров. Некоторые из них очень короткие, а другие доходят до потолка. Для чего нужны все трубы? Когда начинает играть прекрасная музыка, можно понять, что звук исходит от труб, он очень громкий и, кажется, заполняет весь собор. Как такие трубы могут звучать так громко? Во всем виноват акустический резонанс, и он не является единственным инструментом, который использует это удивительное явление.


Создание звуковых волн

Чтобы понять, что происходит, вам сначала нужно немного узнать о том, как звук проходит по воздуху. Звуковые волны создаются, когда что-то вызывает вибрацию молекул воздуха. Затем эта вибрация перемещается, как волна, наружу во всех направлениях. Когда волна проходит по воздуху, есть области, где молекулы сжимаются ближе друг к другу, и области, где молекулы вытягиваются дальше друг от друга. Расстояние между последовательными сжатиями или расширениями известно как длина волны. Частота измеряется в единицах Герца (Гц), а один Герц соответствует одной скорости сжатия волны в секунду.

Люди могут обнаруживать звуковые волны с частотами от 20 до 20 000 Гц! Однако они не все звучат одинаково. Некоторые звуки высокие и скрипучие, в то время как другие низкие и глубокие. То, что вы на самом деле слышите, – это разница в частоте. Итак, как частота относится к длине волны? Скорость звука немного меняется в зависимости от температуры воздуха, но обычно она составляет около 343 м/с. Поскольку все звуковые волны движутся с одинаковой скоростью, частота будет уменьшаться по мере увеличения длины волны и возрастать при уменьшении длины волны.


Вредный резонанс: примеры

Часто люди принимают мостостроение и безопасность как должное. Однако иногда происходят катастрофы, заставляющие поменять свою точку зрения. 1 июля 1940 года в Вашингтоне был открыт мост Такома-Нэрроуз. Это был подвесной мост, третий по величине в мире для своего времени. Во время строительства мост получил прозвище «Галопирование Герти» из-за того, как он качался и сгибался на ветру. Это волнообразное колебание в конце концов привело к его крушению. Мост рухнул 7 ноября 1940 года во время бури, всего через четыре месяца его эксплуатации. Прежде чем узнавать о резонансной частоте и о том, что это связано с катастрофой моста Такома-Нэрроуз, сначала нужно понять что-то, называемое гармоническим движением.


Когда у вас есть объект, периодически колеблющийся назад и вперед, мы говорим, что он испытывает гармоническое движение. Один прекрасный пример проявления резонанса, испытывающего гармоническое движение, – свободная подвесная пружина с прикрепленной к ней массой. Масса заставляет пружину растягиваться вниз, пока в конце концов пружина не сжимается назад, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Этот процесс продолжает повторяться, и мы говорим, что пружина находится в гармоническом движении. Если вы посмотрите видео с моста Такома-Нэрроуз, то увидите, что он колебался, прежде чем рухнул. Он проходил гармоническое движение, как пружина с прикрепленной к ней массой.

Резонанс и качели

Если вы один раз толкнете своего друга на качелях, они несколько раз будут совершать колебательные движения и через некоторое время остановятся. Эта частота, когда колебание самопроизвольно колеблется, называется собственной частотой. Если вы даете толчок каждый раз, когда ваш друг возвращается к вам, он будет качаться все выше и выше. Вы нажимаете с частотой, аналогичной собственной частоте, и амплитуда колебаний возрастает. Такое поведение называется резонансом.


Несомненно, это один из примеров полезного резонанса. Среди прочих нагревание пищи в микроволновой печи, антенна на радиоприемнике, принимающем радиосигнал, игра на флейте.


На самом деле, есть также множество плохих примеров. Разрушение стекла высоким тональным звуком, разрушение моста легким ветерком, обрушение зданий при землетрясениях – все это примеры резонанса в жизни, которые не просто вредные, но и опасные, в зависимости от силы воздействия.


Разрушительная сила звука

Многие наверняка слышали о том, что винный бокал можно разбить голосом оперной певицы. Если вы слегка ударите бокал ложкой, он будет «звонить», как колокол, на своей резонансной частоте. Если на стекло оказывается звуковое давление на определенной частоте, оно начинает вибрировать. По мере того как стимул продолжается, вибрация в бокале накапливается до тех пор, пока он не разрушится, когда будут превышены механические пределы.


Примеры полезного и вредного резонанса повсюду. Микроволны окружают все вокруг, от микроволновой печки, которая разогревает пищу без применения внешнего тепла, до вибраций в земной коре, приводящих к разрушительным землетрясениям.

Резонанс играет очень большую роль в самых разнообразных явлениях, причем в одних – полезную, в других – вредную. Приведем несколько примеров, относящихся к механическим колебаниям.

Идя по доске, перекинутой через ров, можно попасть шагами в резонанс с собственным периодом системы (доски с человеком на ней), и доска начинает тогда сильно колебаться (изгибаться вверх и вниз). То же самое может случиться и с мостом, по которому проходит войсковая часть или проезжает поезд (периодическая сила обусловливается ударами ног или ударами колес на стыках рельсов). Так, например, в 1906г. в Петербурге обрушился так называемый Египетский мост через реку Фонтанку. Это произошло при переходе через мост кавалерийского эскадрона, причем четкий шаг лошадей, отлично обученных церемониальному маршу, попал в резонанс с периодом моста. Для предотвращения таких случаев войсковым частям при переходе через мосты приказывают обычно идти не «в ногу», а вольным шагом. Поезда же большей частью переезжают мосты на медленном ходу, чтобы период ударов колес о стыки рельсов был значительно больше периода свободных колебаний моста. Иногда применяют обратный способ «расстройки» периодов: поезда проносятся через мосты на максимальной скорости.

Случается, что период ударов колес на стыках рельсов совпадает с периодом колебаний вагона на рессорах, и вагон тогда очень сильно раскачивается. Корабль также имеет свой период качаний на воде. Если морские волны попадают в резонанс с периодом корабля, то качка становится особенно сильной. Капитан меняет тогда скорость корабля или его курс. В результате период волн, набегающих на корабль, изменяется (вследствие изменения относительной скорости корабля и воли) и уходит от резонанса.

Неуравновешенность машин и двигателей (недостаточная центровка, прогиб вала) является причиной того, что при работе этих машин возникает периодическая сила, действующая на опору машины – фундамент, корпус корабля и т. п. Период силы может совпасть при этом с периодом свободных колебаний опоры или, например, с периодом колебаний изгиба самого вращающегося вала или с периодом крутильных колебаний этого вала. Получается резонанс, и вынужденные колебания могут быть настолько сильны, что разрушают фундамент, ломают валы и т. д. Во всех таких случаях принимаются специальные меры, чтобы избежать резонанса или ослабить его действие (расстройка периодов, увеличение затухания – демпфирование и др.).

Очевидно, для того чтобы с помощью наименьшей периодической силы получить определенный размах вынужденных колебаний, нужно действовать в резонанс. Тяжелый язык большого колокола может раскачать даже ребенок, если он будет натягивать веревку с периодом свободных колебаний языка. Но самый сильный человек не раскачает язык, дергая веревку не в резонанс.

На явлении резонанса основало действие прибора, предназначенного для определения частоты переменного тока, сила которого изменяется по гармоническому закону (см. том II, § 153). Такие приборы, носящие название язычковых частотомеров, обычно применяются для контроля постоянства частоты в электрической сети. Внешний вид прибора изображен на рис. 28, а. Он состоит из набора упругих пластинок с грузиками на концах (язычков), причем массы грузиков и жесткости пластинок подобраны так, что частоты соседних язычков отличаются на одно и то же число герц. У частотомера, изображенного на рис. 28, а, частоты язычков идут через каждые . Эти частоты написаны на шкале против язычков.

Рис. 28. Язычковый частотомер: а) внешний вид; б) схема устройства

Устройство частотомера схематически показано на рис. 28, б. Исследуемый ток пропускается через обмотку электромагнита. Колебания якоря передаются планке, с которой связаны основания всех язычков и которая укреплена на гибких пластинках. Таким образом, на каждый язычок действует гармоническая сила, частота которой равна частоте тока. Язычок, попавший в резонанс с этой силой, колеблется с большей амплитудой и показывает на шкале свою частоту, т. е. частоту тока.

В дальнейшем мы еще не раз встретимся с явлением резонанса, когда будем изучать звуковые и электрические колебания. Именно эти колебания дадут нам особенно яркие примеры полезного применения резонанса.

При резонансе энергия поступает в систему согласованно с колебаниями в ней, постоянно увеличивая их амплитуду. В стационарном режиме большая амплитуда колебаний поддерживается малыми поступлениями энергии в систему, восполняющими потери энергии колебаний (нагрев проводников, преодоление сил сопротивления, потери на излучение электромагнитных и механических волн) за один период. В системе при резонансе созданы наиболее благоприятные условия для реализации свойственных системе свободных незатухающих колебаний, и поэтому амплитуда колебаний резко возрастает.

Рассмотрим некоторые примеры проявления резонанса в природе.

Пример 1 . Солдаты проходят по мосту строевым шагом, частота ударов ног о поверхность моста может совпасть с собственной частотой колебаний моста как колебательной системы, наступает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний моста постепенно нарастает и при больших числовых значениях может привести к его разрушению.

Пример 2 . Вентилятор плохо прикреплен к потолку и при своем вращении он создает толчки на потолок, частота которых может совпасть с собственной частотой колебаний комнаты (потолка) как колебательной системы, амплитуда колебаний потолка нарастает и может привести к его обрушению.

Пример 3 . Приборы на кораблях максимально утяжеляют (делают тяжелыми подставки) и подвешивают на мягких пружинах (коэффициент жесткости для них будет малым). В этом случае частота качки корабля будет больше собственной частоты колебаний (
) приборов на пружинах и поэтому резонанса не наступает.

Пример 4 . В радиоприемниках на основе явления резонанса можно выделить нужный сигнал из большого числа сигналов разных радиостанций, поступающих на его приемную антенну (рис. 5.23,а). Пусть на вход радиоприемника поступают сигналы малой амплитуды с различной несущей частотой

Для выделения сигнала с несущей частотой , необходимо добиться равенства частотысобственных свободных незатухающих колебаний приемного контура и частоты(=). Тогда за счет явления резонанса амплитуда сигнала с частотойна выходе конденсатора резко возрастает, а амплитуды остальных сигналов останутся прежними (рис. 5.23,б показана сплошной линией резонансная кривая, максимум которой приходится на частоту)

и тем самым происходит выделение сигнала с несущей частотой . Изменяя электроемкость конденсатора, можно настроить приемный контур антенны на несущую частоту(на рис. 5.22,б пик резонансной кривой смещается на частоту).

    1. Нелинейные системы. Автоколебания

1. Нелинейные системы . Под нелинейными системами понимают такие колебательные системы, свойства которых зависят от происходящих в них процессов. В таких системах существуют нелинейные связи, например, между: 1) силой упругости и смещениемгруза относительно положения равновесия. Это приводит к нарушению закона Гука и к зависимости коэффициента к жесткости системы от смещения , что изменяет собственную частотуколебаний системы; 2) электрическими зарядами конденсатора и создаваемой ими напряженностью поля (сегнетоэлектрик между пластинами конденсатора под действием электрического поля изменяет свою диэлектрическую проницаемость и тем самым приводит к изменению электроемкости конденсатора в зависимости от подаваемого в контур напряжения, т.е. к изменению собственной частоты колебаний контура) и т.д.

Все физические системы являются нелинейными системами. При малых амплитудах колебаний (при малых отклонениях от положения равновесия) физические системы можно считать линейными, колебания в них описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, что и позволяет построить общую теорию колебаний.

Нелинейные эффекты в физических системах обычно проявляются при увеличении амплитуды колебаний – это приводит к тому, что собственные колебания системы (осциллятора) уже не будут гармоническими, а их частота будет зависеть от амплитуды колебаний. Уравнения движения для них являются нелинейными, а такие системы называют ангармоническими осцилляторами(см. § 5.5).

Действительно, например, для малых отклонений потенциального поля от параболического вида () дифференциальное уравнение колебаний будет иметь вид

,

Из записанного дифференциального уравнения видно, что коэффициент жесткости зависит от амплитуды колебаний, что приводит к зависимости угловой частоты свободных незатухающих колебаний системы от амплитуды колебаний
.

Для больших отклонений от линейного поведения зависимость
усложняется, и поэтому усложняются уравнения описывающие колебания в системе.

Для нелинейных систем, в отличие от линейных, нарушается принцип суперпозиции , согласно которому результирующий эффект от сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.

Изменение в нелинейных системах формы гармонического внешнего воздействия и нарушение принципа суперпозиции позволяют осуществлять с помощью таких систем генерирование и преобразование частоты электромагнитных колебаний – выпрямление, умножение частоты, модуляцию колебаний и т.д.

Резонанс в такой нелинейной системе будет отличаться тем, что в ходе раскачки осциллятора внешней силой величина расстройки (
) будет изменяться, так как частота будет зависеть от амплитуды колебаний.

2.Автоколебательные системы . Рассмотрим подробнее один из примеров нелинейных систем – автоколебательные системы.

Преимуществом использования резонансных явлений является их экономичность и большая амплитуда колебаний. Недостатком является нестабильность работы системы, связанная с необходимостью с большой степенью точности поддерживать условие резонанса (
), так как любые отклонения частоты внешнего воздействия от резонансной частоты при узкой резонансной кривой резко изменяют амплитуду колебаний в системе (рис. 5.17,а, б).

Для того чтобы избежать таких нежелательных явлений, можно заставить саму систему поддерживать это резонансное условие, такая система является автоколебательной системой. Автоколебательная система относится к группе нелинейных колебательных систем, в которых происходит компенсация диссипативных потерь за счет притока энергии от внешнего постоянного источника. При этом система сама регулирует подвод энергии в систему, подавая ее в нужный момент времени в нужном количестве.

Автоколебательная система состоит из колебательной системы, источника энергии и клапана – устройства, которое регулирует подвод энергии в систему. Работой клапана управляет сама система с помощью обратной связи (рис.5.24,а)

В качестве примера автоколебательной системы можно привести систему, состоящую из груза, прикрепленного к двум пружинам и совершающего колебания на металлическом стержне (рис. 5.24,б). Источник постоянного тока с помощью электромагнита за каждый период колебаний совершает работу по увеличению кинетической энергии груза, восполняя потери энергии колебаний на преодоление сил сопротивления.

Это происходит следующим образом. При своем движении металлическая пластина, прикрепленная к грузу, касается контакта-прерывателя (он играет роль клапана), электрическая цепь замыкается и электромагнит притягивает к себе пластину, сообщая при этом дополнительную скорость грузу. Таким образом, в системе возникают незатухающие колебания на частоте
с большой амплитудой, которую можно регулировать, меняя положение контакта прерывателя.

Примерами автоколебательных систем могут служить духовые и смычковые инструменты, колебания голосовых связок при разговоре, механические часы. Примером автоколебательной системы в природе является ядерный реактор, который проработал в течение 500 тысяч лет на урановом руднике в Африке 2,5 миллиарда лет тому назад. Для его работы необходимы были достаточное количество урана-235, который делится под действием медленных нейтронов, и замедлитель нейтронов – вода. В определенный момент времени вода скопилась в достаточном количестве и реактор заработал. Его работу поддерживала цепочка процессов, указанных на рис. 5.25:

Такая автоколебательная система работала до тех пор, пока не выгорело ядерное топливо. Здесь источником энергии является деление ядер U-235, клапаном служит изменение температуры воды, а колебательной системой является вода, уровень которой совершает колебания.

Примеры резонанса в жизни

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 и 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.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

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.

Суть явления резонанса

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.

Примеры 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.

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 до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.

Идя по доске, перекинутой через ров, можно попасть шагами в резонанс с собственным периодом системы (доски с человеком на ней), и доска начинает тогда сильно колебаться (изгибаться вверх и вниз). То же самое может случиться и с мостом, по которому проходит войсковая часть или проезжает поезд (периодическая сила обусловливается ударами ног или ударами колес на стыках рельсов). Так, например, в 1906г. в Петербурге обрушился так называемый Египетский мост через реку Фонтанку. Это произошло при переходе через мост кавалерийского эскадрона, причем четкий шаг лошадей, отлично обученных церемониальному маршу, попал в резонанс с периодом моста. Для предотвращения таких случаев войсковым частям при переходе через мосты приказывают обычно идти не «в ногу», а вольным шагом. Поезда же большей частью переезжают мосты на медленном ходу, чтобы период ударов колес о стыки рельсов был значительно больше периода свободных колебаний моста. Иногда применяют обратный способ «расстройки» периодов: поезда проносятся через мосты на максимальной скорости. Случается, что период ударов колес на стыках рельсов совпадает с периодом колебаний вагона на рессорах, и вагон тогда очень сильно раскачивается. Корабль также имеет свой период качаний на воде. Если морские волны попадают в резонанс с периодом корабля, то качка становится особенно сильной. Капитан меняет тогда скорость корабля или его курс. В результате период волн, набегающих на корабль, изменяется (вследствие изменения относительной скорости корабля и воли) и уходит от резонанса. Неуравновешенность машин и двигателей (недостаточная центровка, прогиб вала) является причиной того, что при работе этих машин возникает периодическая сила, действующая на опору машины – фундамент, корпус корабля и т. п. Период силы может совпасть при этом с периодом свободных колебаний опоры или, например, с периодом колебаний изгиба самого вращающегося вала или с периодом крутильных колебаний этого вала. Получается резонанс, и вынужденные колебания могут быть настолько сильны, что разрушают фундамент, ломают валы и т. д. Во всех таких случаях принимаются специальные меры, чтобы избежать резонанса или ослабить его действие (расстройка периодов, увеличение затухания – демпфирование и др.). Очевидно, для того чтобы с помощью наименьшей периодической силы получить определенный размах вынужденных колебаний, нужно действовать в резонанс. Тяжелый язык большого колокола может раскачать даже ребенок, если он будет натягивать веревку с периодом свободных колебаний языка. Но самый сильный человек не раскачает язык, дергая веревку не в резонанс.

1.Какова причина образования эха? Почему эхо не возникает в маленькой, заполненной мебелью комнате? Ответы обоснуйте.

Эхо возникает при отражении звука от пре­грады и возвращения звуковой волны.

В маленькой комнате исходный и отражен­ный звук слышится почти одновременно и еще поглощается и рассеивается мебелью. В большом, полупустом помещении звук не рассеивается и рас­стояние время прихода отраженной звуковой волны больше.

2. Как можно улучшить звуковые свойства большого зала?

Для этого стены зала облицовывают звукопо­глощающими материалами, которые препятствуют образованию эха или гула.

3. Почему при использовании рупора звук распространяется на большее расстояние?

При использовании рупора звук меньше рас­сеивается, поэтому он обладает большей мощно­стью и распространяется на большее расстояние.

4. Приведите примеры проявления звукового резонанса, не упомянутые в тексте параграфа.

Если открыть пианино и пропеть над стру­нами какую-нибудь ноту, то можно услышать, что инструмент откликается. Голос действует на все струны пианино, но откликаются только те, кото­рые находятся в резонансе. Еще пример звукового резонанса – гитара. В правильно настроенной гитаре, при зажиме какой-либо струны определен­ным, можно увидеть, что колеблющейся зажатой струне резонирует другая.

5. Для чего камертоны устанавливают на резонаторных ящиках? Каково назначение резонаторов, применяемых в музыкальных инструментах?

Резонаторные ящики способствуют усилению звука, он становится более громким, хотя и менее длительным.

Резонаторы в музыкальных инструментах усиливают звук и создают определенный тембр инструмента.

Прежде чем приступить к знакомству с явлениями резонанса, следует изучить физические термины, связанные с ним. Их не так много, поэтому запомнить и понять их смысл будет несложно. Итак, обо всем по порядку.

Что такое амплитуда и частота движения?

Представьте обычный двор, где на качелях сидит ребенок и машет ножками, чтобы раскачаться. В момент, когда ему удается раскачать качели и они достигают равномерного движения из одной стороны в другую, можно подсчитать амплитуду и частоту движения.

Амплитуда – это наибольшая длина отклонения от точки, где тело находилось в положении равновесия. Если брать наш пример качелей, то амплитудой можно считать наивысшую точку, до которой раскачался ребенок.

А частота – это количество колебаний или колебательных движений в единицу времени. Измеряется частота в Герцах (1 Гц = 1 колебание в секунду). Возвратимся к нашим качелям: если ребенок проходит за 1 секунду только половину всей длины качания, то его частота будет равна 0,5 Гц.

Как частота связана с явлением резонанса?

Мы уже выяснили, что частота характеризует число колебаний предмета в одну секунду. Представьте теперь, что слабо качающемуся ребенку взрослый человек помогает раскачаться, раз за разом подталкивая качели. При этом данные толчки также имеют свою частоту, которая будет усиливать либо уменьшать амплитуду качания системы «качели-ребенок».

Допустим, взрослый толкает качели в то время, когда они движутся навстречу к нему, в таком случае частота не будет увеличивать амлитуду движения подвесных качелей. То есть сторонняя сила (в данном случае толчки) не будет способствовать усиления колебания системы.

В случае если частота, с которой взрослый раскачивает ребенка, будет численно равна самой частоте колебания качелей, может возникнуть являение резонанса. Другими словами, пример резонанса – это совпадение частоты самой системы с частотой вынужденных колебаний. Логично представить, что частота вынужденных колебаний и резонанс взаимосвязаны.

Где можно наблюдать пример резонанса?

Важно понимать, что примеры проявления резонанса встречаются практически во всех сферах физики, начиная от звуковых волн и заканчивая электричеством. Смысл резонанса заключается в том, что когда частота вынуждающей силы равна собственной частоте системы, то в этот момент амплитуда колебаний достигает наивысшего значения.

Следующий пример резонанса даст понимание сути. Допустим, вы шагаете по тонкой доске, перекинутой через речку. Когда частота ваших шагов совпадет с частотой или периодом всей системы (доска-человек), то доска начинает сильно колебаться (гнуться вниз и вверх). Если вы продолжите двигаться такими же шагами, то резонанс вызовет сильную амплитуду колебания доски, которая выходит за пределы допустимого значения системы и это в конечном счете приведет к неминуемой поломке мостика.

Существуют также те сферы физики, где можно использовать такое явление, как полезный резонанс. Примеры могут удивить вас, ведь обычно мы используем его интуитивно, даже не догадываясь о научной стороне вопроса. Так, например, мы используем резонанс, когда пытаемся вытащить машину из ямы. Вспомните, ведь легче всего достичь результат только тогда, когда толкаешь машину в момент ее движения вперед. Этот пример резонанса усиливает амплитуду движения, тем самым помогая вытащить машину.

Примеры вредного резонанса

Сложно сказать, какой резонанс в нашей жизни встречается больше: хороший или же наносящий нам вред. Истории известно немалое количество ужасающих последствий явления резонанса. Вот самые известные события, на которых можно наблюдать пример резонанса.

  1. Во Франции, в городе Анжера, в 1750 году отряд солдат шел в ногу через цепной мост. Когда частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста, размахи колебаний (амплитуда) резко увеличились. Наступил резонанс, и цепи оборвались, а мост обрушился в реку.
  2. Бывали случаи, когда в деревнях дом был разрушен из-за проезжающего по главной дороге грузового автомобиля.

Как видите, резонанс может иметь весьма опасные последствия, вот почему инженерам следует тщательно изучать свойства строительных объектов и правильно вычислять их частоты колебаний.

Полезный резонанс

Резонанс не ограничивается только плачевными последствиями. При внимательном изучении окружающего мира можно наблюдать множество хороших и выгодных для человека результатов резонанса. Вот один яркий пример резонанса, позвляющий получать людям эстетическое удовольствие.

Устройсто многих музыкальных инструментов работает по принципу резонанса. Возьмем скрипку: корпус и струна образуют единую колебательную систему, внутри которой имеется штифт. Именно через него передаются частоты колебаний из верхней деки в нижнюю. Когда лютьер водит смычком по струне, то последняя, подобно стреле, побеждает своей силой упругости трение канифольной поверхности и летит в обратную сторону (начинает движение в противоположную область). Возникает резонанс, который передается в корпус. А внутри его есть специальные отверстия – эфы, сквозь которые резонанс выводится наружу. Именно таким образом он контролируется во многих струнных инструментах (гитара, арфа, виолончель и др).

Что общего между звуками прекрасной музыки, катанием на качелях, грозой и молитвой? Как мы связаны со своей Землей? И что происходит, когда работают целители? Этому явлению дано очень простое определение – резонанс .

Резонанс, как основа всех явлений в природе С переходом к новому веку, как обычно, не было недостатка в предсказаниях относительно тенденций развития науки и техники. Значительно реже встречались высказывания о будущем самого человечества как вида. Если не брать в расчет глобальные катаклизмы типа затопления-оледенения или столкновения с астероидом, то пожалуй, наиболее важное, ярко выраженное масштабное явление, способное сильно повлиять на человека – это электромагнитные поля. Даже для тех, у кого невидимый мир населен ангелами, бесами и другими сущностями, он реально пронизан электромагнитными колебаниями, вибрациями самых разных частот, порожденными как человеком, так и самой природой. Однако видим мы менее одного процента всего этого великолепия.

Распространяются эти колебания в виде волн. Замечательно, что колебания и волны любой природы описываются одними и теми же уравнениями. И если разобраться с некоторыми понятиями, удобными для рассуждений о колебаниях и волнах, то мы довольно неожиданно сможем выйти на очень разные явления в жизни, о которых точно думали, но «не у кого было спросить». Начнем с того, что легче ощутить.

Вибрации и колебания, волны, резонанс в музыке Вот, например, восхитительное явление – резонанс. Не только музыканты знают, что если бы не резонанс, то музыки не существовало бы. Щипком струны, ударом молоточка по ней или потоком воздуха в трубке исполнитель создает только слабое первоначальное колебание. Оно осталось бы незамеченным, если бы не резонатор или, проще говоря, корпус инструмента, который способен откликаться на каждую частоту, усиливать ее, придавать тембр.

Такое возможно потому, что у этого резонатора есть свои резонансные частоты, то есть он способен усиливать, окрашивать и продлевать некоторые колебания струны. Но не любые, а только те, которые близки к так называемым собственным частотам. А эти последние зависят, прежде всего, от размеров и формы корпуса-резонатора. И еще от множества тонкостей, куда входят вид древесины, влажность её и т.п. Вот здесь-то и проявляется мастерство изготовителя инструмента, о котором мы так часто слышим. В случае удачи инструмент будет петь в руках исполнителя в полном соответствии с той музыкой, что звучит в его душе.

Интересно, что, по современным понятиям, органы и системы человеческого тела имеют собственные частоты колебаний, которые звуковая волна усиливает или подавляет, тем самым влияя на их функции.

Бывают резонансы и другого вида. Механический резонанс, например. Можно хорошо ощутить механический резонанс, предаваясь всеми любимому веселому занятию – раскачиванию на качелях. Развлекая себя или ребенка, мы прилагаем силу нужного направления в строго определенный момент. Точная формула для определения этого момента довольно сложна, как ни странно. Но каждый легко определяет его инстинктивно. Очень странно выглядел бы человек, который пытается раскачать качели, подталкивая их не вовремя, то есть не в резонансе с собственной частотой его колебаний. Здесь уместно сказать, наконец, что такое частота колебания. Она показывает, сколько раз в секунду качели придут в одно и то же место своей траектории. Ну, скажем для определенности, – в то место, где их толкают. И если частота колебаний качелей совпадает с частотой толчков, возникает явление резонанса – тогда размах колебаний качелей будет возрастать. Для наших дальнейших рассуждений важно, что при резонансе некие внешние воздействия синхронизованы во времени с внутренними свойствами системы, то есть максимально реализован принцип «в нужное время в нужном месте».

Явление механического резонанса способно причинить и жуткий вред. Известен случай разрушения моста, по которому маршировала рота солдат. Мост-то, наверное, рассчитывался на очень большие нагрузки. Но резонанс! Кто же мог предполагать, что собственная частота колебаний моста совпадет с ритмом продвижения роты. Солдаты шли в ногу, синхронно чеканили шаг, как один большой солдат. И именно с той частотой, которая была резонансной для этого моста! С той поры в уставе отмечено, что при передвижении по мосту необходимо сбивать шаг.

Мы познакомились со звуковыми и механическими резонансами. И теперь легче будет разобраться с самыми интересными резонансами – электромагнитными.

Резонанс другого уровня взаимодействия – электромагнитный

Резонанс Шумана Мы живем в слое между поверхностью Земли и ионосферой, нижняя граница которой находится на уровне примерно 80 км и называется слоем Хевисайда. Если представить Землю в виде апельсина размером 5 сантиметров, то этот слой будет на высоте 3 миллиметра, то есть этот слой очень близко к Земле. Длинноволновая радиосвязь возможна только благодаря слою Хевисайда, потому что именно от него происходит отражение радиоволн, огибающих Землю. Земля – хороший проводник электрического тока, в любом случае на ней для этого достаточно воды, причем две трети из нее – соленая вода океанов. В ионосфере тоже есть чему обеспечивать проводимость – солнечный свет отрывает электроны от молекул газов разреженной атмосферы, создается плазма. В пространстве между этими сферами – воздух, слабый проводник. Получается симметричный сферический конденсатор, образованный двумя помещенными друг в друга проводящими сферами. При этом Земля заряжена отрицательно, а ионосфера – положительно. Такая система называется волноводом, в ней хорошо распространяются электромагнитные волны.

Те волны, которые являются резонансными для этого гигантского природного волновода, могут несколько раз огибать Землю. Совершенно аналогично тому, как звук резонирует в объеме музыкального инструмента. Какие это частоты? Такую задачу в 1949 поставил перед своими студентами на занятиях по электрофизике профессор Мюнхенского технического университета Винфред Отто Шуман. Если подойти к вопросу приблизительно и просто, достаточно знать размеры Земли и ее ионосферы, чтобы рассчитать эти частоты. Получилось, что в полости Земля – ионосфера могут распространяться (резонировать) электромагнитные волны довольно низкой, даже сверхнизкой частоты – 10 герц. Вскоре Шуман и экспериментально обнаружил такие волны и опубликовал статью об этом в каком-то физическом журнале. Эти волны так и стали называть – резонансы Шумана. А откуда же они вообще взялись, эти волны, в полости Земля – ионосфера? Молнии! Их, оказывается, так много вблизи Земли – в среднем около сотни разрядов за минуту. Молнии производят целый спектр электромагнитных колебаний. Но только те из них, что совпадают с собственными частотами природного волновода, то есть с рассчитанной частотой около 10 герц, могут огибать Землю несколько раз за секунду.

Никто поначалу не придал особого значения этим открытиям, даже сам Шуман. Тем более что на самом-то деле по миру ранее уже бродили подобные идеи. Автор их – гениальный серб Никола Тесла – создавал искусственные молнии еще в конце девятнадцатого века. Он обнаружил, что при разряде появляются волны очень низкой частоты. И они могут глубоко проникать в Землю без ослабления, потому что резонируют с собственными колебаниями Земли. Более того, образуется стоячая волна, обегающая Землю. Эти исследования Теслы тогда не были поддержаны – время не пришло. Пришло оно через 50 лет – с работами Шумана.

Резонанс и новый взгляд на вибрации и частоту в науке, резонанс Шумана Здоровое любопытство иногда заставляет исследователей просматривать книги и журналы по далеким от специальности разделам науки. Быть бы резонансам Шумана похороненными в анналах истории науки, если бы не любопытство одного оставшегося неизвестным психолога, просматривавшего физико-техническую периодику. Прочтя публикацию Шумана, он оторопел. Основная частота резонанса – около 10 герц – совпадала с основным ритмом человеческого мозга – альфа-ритмом! Почему?! Конечно, он сразу же позвонил Шуману. Ведь в высшей степени удивительно, что совпадают ритмы Земли и мозга человека в состоянии спокойного бодрствования. Шуман подключил к работам студента-выпускника, будущего своего преемника Герберта Кёнига. Необычным делом увлекался этот студент. Он исследовал, как работают те, кто может находить в земле воду или минералы при помощи ивового прута, лозоходцы то есть. Далее мы увидим всю примечательность этого обстоятельства. В своей докторской диссертации Кёниг сообщил о более точных измерениях основной частоты резонанса Шумана – 7,83 гц.

Удалось измерить и более высокие гармоники первой частоты. Они составляют в среднем 14, 20, 26, 33, 39 и 45 герц. Оказалось, и этим частотам есть соответствие в спектре волн, излучаемых мозгом человека! Словом, частотная полоса изменения биотоков мозга лежит в пределах изменения резонансных частот полости Земля – ионосфера в спокойных условиях. Колебательная система «человек – среда обитания» находится в состоянии равновесия. Это не может быть случайным совпадением! Если бы мы сознательно всё устраивали для жизни на Земле, лучше бы не сделали.

Измерить резонанс Шумана – это значит для какого-нибудь места на Земле сделать запись интенсивности электрического и магнитного полей отдельно в зависимости от времени либо от частоты. Несмотря на глобальную важность, до недавнего времени работ по резонансам Шумана было мало. Может, потому, что этим диапазоном частот интересуются военные – для связи с подводными лодками, ведь такие волны проникают глубоко в воду и в землю. А может, потому, что измерять резонансы Шумана – трудная задача. Они слишком слабы на фоне собственных электрического и магнитного полей Земли, которые в 10 тысяч, а то и в 100 тысяч раз больше. Чтобы измерить резонансы Шумана, необходима стандартная электроника (усилители-предусилители) и очень необычные антенны. Для измерения электрического поля обычная антенна должна была бы быть длиной 20 тысяч километров. Поэтому используют специальную, шаровую антенну вместе с усилителем. Магнитные поля измерять – тоже нужны всяческие ухищрения. Перемещение людей, животных, раскачивание деревьев при ветре могут перечеркнуть кропотливые труды коллективов геофизиков и радиоэлектронщиков.

Где измеряют резонансы Шумана? Да по всей Земле. В Америке и в Австралии, в Финляндии, Германии и в России, в Англии и в Исландии.

Чтобы получше понять явление, хорошо бы узнать, отчего оно зависит. Частота и интенсивность естественных пульсаций Земли – не постоянные фиксированные величины. Как показали дальнейшие исследования, они слегка изменяются под влиянием следующих факторов:

Географическое место. Сильнее всего резонансы Шумана заметны вблизи мировых очагов гроз. Если рассмотреть данные со спутников NASA о местах возникновения молний за много лет, можно заметить, что молнии в основном случаются над землей, а не над поверхностью воды. Больше всего их в Африке. Так ведь по современным воззрениям там и появился человек.

Время суток. Ночью Солнце не ионизирует атмосферу на темной стороне Земли, и слой Хевисайда здесь исчезает, а с ним и шумановские волны. С рассветом восстанавливается верхняя граница околоземного волновода и вновь появляются волны Шумана. Земля отдыхает и пробуждается вместе с нами. Или это мы – с нею.

Чистота воздуха. Наблюдается повышение частоты, если в воздухе много водяных паров, газов.

Окружающая обстановка. Электромагнитный смог от всего электрооборудования перекрывает в сотни раз живительные природные всплески резонансов Шумана. Их гасят и некоторые строительные материалы. Может, поэтому собаки и дети хотят гулять, даже если только что вернулись с улицы.

Вспышки на Солнце. Исследователи утверждают, что при магнитных бурях или в условиях электромагнитных полей техногенного происхождения, когда изменяется частота природных резонансов Шумана, ухудшается состояние людей в возрасте и детей, чаще случаются гипертонические кризы, эпилептические припадки и суициды.

А каким образом все же осуществляется влияние магнитных бурь на человека? Возможно, дело обстоит так. При вспышках на Солнце изменяются свойства слоя Хевисайда – верхней границы нашего природного резонатора. Это приводит к изменениям частоты резонанса Шумана. Еще в 1665 году Христиан Гюйгенс заметил, что если неподалеку друг от друга начинают колебаться два маятника с близкой, но все же различной частотой, то по прошествии некоторого времени их частота колебаний станет одинаковой. И это всеобщий закон. Каждой колебательной системе «легче» колебаться в такт, чем вразнобой. Значит, резонансы Шумана для нас являются как бы ритмоводителем.

Изменилась по какой-то причине частота Шумана – это приводит к изменению частоты электромагнитных колебаний мозга и ухудшению состояния человека. Таким образом, именно через резонансы Шумана здоровье человека связано с геофизическим состоянием Земли. Более того, оказалось, что не только физическое здоровье, но и душевное, да и просто способность мыслить. Ведь мозг работает в режиме альфа-ритма (на частоте около 8 герц) в тех случаях, когда человек, находясь в состоянии мышечной релаксации, решает творческие задачи. У большинства людей, имеющих четко выраженный альфа-ритм, преобладает способность к абстрактному мышлению. Изредка встречаются люди, у которых обнаруживается полное отсутствие альфа-ритмов. Они свободно мыслят зрительными образами, однако испытывают трудности в решении проблем абстрактного характера.

Те, кто склонен к исследовательской деятельности, могут сами проследить связь собственного самочувствия (изменение артериального давления, например) с изменениями в спектре волн Шумана. Сделать это можно, посещая, например, сайт Томского государственного университета Данные обновляются каждые два часа. Кроме того, интересно самому убедиться, действительно ли растет частота шумановских волн, как сообщается иногда об этом. Ведь это означало бы, ни много ни мало, что идет эволюция мозга человека.

Оказалось: собственное магнитное поле Земли пульсирует в том же диапазоне частот, что и резонансы Шумана, и ритмы мозга. Это привело даже к некоторой путанице. Вы можете иногда услышать, что резонансы Шумана – это просто колебания магнитного поля Земли. А не волны, рожденные молниями и огибающие Землю в естественном волноводе.

Сейчас количество публикаций по резонансам Шумана сильно возросло – примерно до тысячи в год. Обсудим две главных причины этого.

Во-первых, обнаружилась возможность определения по резонансам Шумана температуры и грозовой активности в масштабах планеты. Сейчас уже точно известно, что чем выше температура воздуха нижних слоев атмосферы, тем больше гроз, молний и осадков. А значит, мощнее резонансы Шумана. По нехитрой логике, измеряя интенсивность резонансов в разных местах Земли, можно судить о ее средней температуре. То есть резонанс Шумана – это термометр для матушки-Земли. «Средняя по Земле» температура – сейчас больной вопрос для всех людей вообще, а не только для ученых. Не утихают споры, началось ли уже глобальное потепление или это проблема наших потомков.

С резонансами Шумана, точнее, с деятельностью человеческого мозга на частотах этих резонансов, некоторые исследователи связывают различные эффекты дальновидения, целительства, гипноза, поисков воды и полезных ископаемых с помощью лозы или рамки. Доктор Джон Циммерман, основатель и президент Института биоэлектромагнетизма в Рено, штат Невада, занимался изучением обширной литературы по деятельности целителей. Он обнаружил, что в начале сеанса у целителя устанавливается связь с волнами Шумана. Его правое и левое полушария мозга синхронизируются, в то время как обычно они слегка разбалансированы. Оба полушария начинают работать в альфа-ритме с частотой около 8 герц. Затем в альфа-ритм входят и мозговые волны пациента. Эти волны синхронизируются с волнами целителя. У пациентов во время сеанса также наблюдается частотное равновесие между полушариями мозга. Образно говоря, целитель присоединяет своего пациента к электромагнитному полю волн Шумана и к пульсациям магнитного поля Земли.

Резонанс ритмов человека при медитации и молитве Существуют исследования, свидетельствующие, что при медитации и во время молитвы человеческий мозг тоже работает с частотой около 8 герц, в ритме с волнами Шумана и магнитным полем Земли.

До сих пор мы размышляли главным образом о природной составляющей системы человек – среда его обитания. Но уже существует понятие «электромагнитный смог». Это хаотическое излучение от различных бытовых и промышленных электроприборов. Его мощность уже в сотни раз превышает природный фон. Конечно, волны с частотой альфа-ритма очень слабенькие, их размах, или амплитуда, составляет всего около 30 миллионных долей вольта. Казалось бы, это ничтожно мало по сравнению с собственным магнитным полем Земли и с техногенными полями. Но частоты-то совпадают с ритмами мозга! Вспомните о резонансных эффектах! С этой точки зрения для человека опасны устройства, работающие в том же диапазоне частот, что и слабые, но такие необходимые естественные поля. Вот, например, сотовые телефоны. Все исследования их «вредности» проводились с учетом только их теплового воздействия. Но очень важно и информационное воздействие, которое никто не учитывает. Ведь одна из частот излучения сотового телефона – все те же 8 Гц – связана с нашей индивидуальной умственной деятельностью. Следовательно, извне, причем из непосредственной близости, в головной мозг человека поступают сигналы, которые способны резонансным образом взаимодействовать с собственной биоэлектрической активностью головного мозга и тем самым нарушать его функции. Такие изменения заметны на электроэнцефалограмме и не исчезают длительное время после окончания разговора.

Сообщают, что в Америке каждый сотрудник NASA имеет при себе приборчик – индивидуальный источник «полезных» электромагнитных волн в диапазоне волн Шумана, для улучшения самочувствия при «подстройке» к естественным природным ритмам.

А вот пчелы… Пчелы вымирают. По заключению ученых немецкого университета Кобленц-Ландау, в США и в некоторых странах Европы погибло до 70% пчелиных семей. Их гибель связывают с потерей ориентации под воздействием техногенных электромагнитных полей, порождаемых мощными антеннами сотовой связи.

Человечество как вид обладает необычайным потенциалом, который едва только начали изучать. Дар творчества, интуиция, талант – без этих качеств человек не смог бы создать тот прекрасный мир, в котором он живет. А что, если, окутанные антропогенным электромагнитным смогом, разрушающим тонкие настройки взаимосвязей в этом изменчивом, колеблющемся мире, мы потеряем свои бесценные дары?

…Рассвет. На зыбкой границе между сном и бодрствованием Земля посылает нам свой утренний привет на частоте 7,8 герц – частоте альфа-ритма нашего мозга. Что бы ни происходило, мы в резонансе со своей Землей и со всем живым на ней.

Источник – выдающиеся из всех известных изобретений Теслы связаны с понятием резонанса. Тесла считал резонанс ключом к пониманию и управлению любой системой, природной или рукотворной. Каждая система, по его мнению, обладает некой «собственной частотой колебания». Таких частот может быть несколько, они являются своего рода «паспортом», «удостоверением личности» любой системы. Любые системы могут взаимодействовать, будучи настроенными друг на друга. Это очень легко объяснить на примере человеческих отношений: два человека, желающие понять друг друга (то есть «настроенные в резонанс» друг к другу), потратят гораздо меньше времени и сил на решение какой-то проблемы, чем те же два человека, не желающие понимать или просто безразличные. Таким образом, задача человека – не «брать силой» у Природы ее богатства, а уметь настраивать свою технику в резонанс с природными явлениями, чтобы взаимодействие было максимально естественным и эффективным. По этому пути и шел сам Тесла, поражая современников результатами.

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?

Собственные и вынужденные колебания. Резонанс

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.

Механический резонанс

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.

Акустический резонанс

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.

Электрический резонанс

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.

Волны Шумана

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».

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.

Резонанс – это резкий рост амплитуды вынужденных колебаний, который наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами колебательной системы. Увеличение амплитуды происходит при совпадении внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи резонансных явлений можно выделить и/или усилить даже совсем слабые гармонические колебания. Резонанс – явление, заключающееся в том, что колебательная система оказывается особенно отзывчивой на воздействие определённой частоты вынуждающей силы.

В нашей жизни довольно много ситуаций, в которых проявляется резонанс. Например, если к струнному музыкальному инструменту поднести звенящий камертон, то акустическая волна, исходящая от камертона, вызовет вибрацию струны настроенной на частоту камертона, и она сама зазвучит.

Еще один пример, всем известный эксперимент с тонкостенным бокалом. Если измерить частоту звука, с которой звенит бокал, и, подать звук с такой же частотой от генератора частот, но с большей амплитудой, через усилитель и динамик обратно на бокал, его стенки входят в резонанс с частотой звука идущего от динамика и начинают вибрировать. Увеличение амплитуды этого звука до определенного уровня приводит к разрушению бокала.

Биорезонанс: с Древней Руси и до наших времен

Наши православные предки, ещё за десятки тысяч лет до прихода христианства на Русь хорошо знали о силе колокольного звона и старались в каждой деревне установить колокольню! Благодаря чему в средневековье Русь, богатая церковными колоколами, избегала опустошительных эпидемий чумы в отличии от Европы (Галлии), в которой святые инквизиторы на кострах сожгли не только всех учёных и ведающих, но и все древние «еретические» книги, написанные на глаголице, хранившие уникальные знания наших предков, в том числе и о силе резонанса!

Таким образом, все православные знания, накопленные веками, были запрещены, уничтожены и подменены новой христианской верой. При этом по сей день данные о биорезонансе находятся под запретом. Даже спустя века любая информация о методах лечения, не приносящих прибыль фармацевтической промышленности, умалчивается. В то время как ежегодный многомиллиардный оборот фармацевтики растет с каждым годом.

Яркий пример применения резонансных частот на Руси, и это факт, от которого нельзя отвертеться. Когда в Москве в 1771 году (1771 г.) вспыхнула эпидемия чумы, Екатерина II отправила из Петербурга графа Орлова с четырмя лейб-гвардиями и огромным штатом врачей. Вся жизнь в Москве была парализована. Дабы отогнать «моровые поветрия» миряне окуривали жилища, на улицах разводили огромные костры, и вся Москва была окутана черным дымом, так как тогда считалось, что чума распространяется по воздуху, но это мало помогало. А ещё изо всех сил били в набат (самый большой колокол) и во все колокола меньшего размера в течении 3-х дней подряд, так как свято верили, что колокольный звон отведёт от города страшную беду. Через несколько дней эпидемия стала отступать. «В чем секрет?» – спросите Вы. На самом деле ответ лежит на поверхности.

А теперь рассмотрим небезызвестный пример использования биорезонанса в наше время. С целью соблюдения чистоты эксперимента, медики в палату с онкологическими больными поставили металлические пластины, наподобие тех, что использовались в древних монастырях, чтобы колокола у пациентов не могли ассоциироваться с церковью, и, рождаемое поневоле самовнушение, не могло существенно повлиять на результаты исследований. При подборе индивидуальных частот для каждого больного использовалось множество титановых пластин различного размера. Итог превзошел все ожидания!

После воздействия акустических волн определённой частоты на биологически активные точки пациентов у 30% больных прекратился болевой синдром, и они смогли уснуть, а ещё у 30% больных прекратились боли, не снимавшиеся самыми сильными наркотическими анестетиками!

В настоящее время, для достижения эффекта резонанса нет необходимости использовать огромные колокола, а есть уникальная возможность, применять достижения науки и техники, созданные электронные приборы на основе частотного резонанса, иными словами приборы биорезонансной терапии Smart Life.

Эффект резонанса в биологических структурах можно вызвать при помощи:

Акустических волн

Механического воздействия

Электромагнитных волн видимого и радиочастотного диапазонов

Импульсов магнитного поля

Импульсов слабого электрического тока

Импульсного теплового воздействия

То есть, эффект резонанса в биологических структурах можно вызывать внешним воздействием и любыми физическими явлениями, возникающими в процессе биохимических реакций внутри живой клетки. Причём каждая биологическая структура имеет свой уникальный частотный спектр, сопровождающий биохимические процессы и откликается на внешнее воздействие, как основной резонансной частоты, так и высших или низших гармоник от основной частоты, с амплитудой во столько раз большей, на сколько эти гармоники отстоят от частоты основного резонанса.

Как в повседневной жизни можно использовать силу резонанса, и какой же метод воздействия выбрать?

Акустические волны

Угадайте, что происходит с зубным камнем во время его удаления, при помощи ультразвука в кабинете у стоматолога или при разрушении камней в почках? Ответ очевиден. И без сомнения, акустическое воздействие – это прекрасная возможность для исцеления организма, если бы не одно «но». Колокола много весят, дорого стоят, создают сильный шум, и могут использоваться исключительно стационарно.

Магнитное поле

Чтобы вызвать хотя бы сколь-нибудь ощутимый эффект от воздействия пульсирующего магнитного поля на всё тело, необходимо изготовить электромагнит огромных размеров и массой пару тонн, он будет занимать пол комнаты и потреблять очень много электроэнергии. Инертность системы не позволит использовать его на высоких частотах. Маленькие электромагниты можно использовать лишь локально из-за малого радиуса действия. Также нужно точно знать зоны на теле и частоту воздействия. Вывод неутешителен: использовать магнитное поле для терапии заболеваний экономически не целесообразно в домашних условиях.

Электрический ток

Электромагнитные волны

Для метода частотного резонанса можно использовать радиоволны с несущей частотой от 10 кГц до 300 МГц, так как в этом диапазоне самый низкий коэффициент поглощения ЭМВ нашим телом и оно для них прозрачно, а также электромагнитные волны в видимом и инфракрасном спектре. Видимый красный свет с длиной волны от 630 нм до 700 нм проникает в ткани на глубину до 10 мм, а инфракрасный свет от 800 нм до 1000 нм проникает на глубину до 40 мм и глубже, вызывая ещё и некоторое тепловое воздействие при торможении в тканях. Для воздействия на биологически активные зоны на поверхности кожи, можно использовать радиоволны с несущей частотой до ~ 50 ГГц

Как на звук и световые волны влияет принцип резонанса? Что такое вибрации и резонансные частоты объектов? Какие повседневные примеры резонанса можно встретить в жизни? Как разбить бокал с помощью голоса? Если присмотреться, то можно увидеть примеры резонанса повсюду. Вот только некоторые из них несут пользу, а другие – вред.

Что такое резонанс?

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как люди создают прекрасную музыку с помощью обыкновенных бокалов? По мере повышения воздействия на стекло звуковыми волнами оно может даже разбиться. Световые волны также взаимодействуют особыми способами с объектами вокруг себя. Поведение звуковых и световых волн объясняет, почему люди слышат звуки музыкальных инструментов и различают цвета. Изменения волновой амплитуды вызваны важным принципом, который называется резонансом. Примерами влияния на передачу звука и света являются вибрации.

Звуковые волны происходят от механических колебаний в твердых телах, жидкостях и газах. Световые волны исходят из вибрации заряженных частиц. Объекты, заряженные частицы и механические системы обычно имеют определенную частоту, на которой они склонны вибрировать. Это называется их резонансной частотой или их собственной частотой. Некоторые объекты имеют две или более резонансных частот. Пример резонанса: когда вы едете по ухабистой дороге, и ваш автомобиль начинает прыгать вверх и вниз – это пример колебания вашей машины на своей резонансной частоте, вернее резонансная частота амортизаторов. Вы можете заметить, что когда вы едете в автобусе, частота отскока немного медленнее. Это потому, что амортизаторы шины имеют более низкую резонансную частоту.

Когда звуковая или световая волна ударяет по объекту, она уже вибрирует на определенной частоте. Если эта частота будет соответствовать резонансной частоте объекта, то это приведет к тому, что вы получите резонанс. Он возникает, когда амплитуда колебаний объекта увеличивается за счет соответствующих колебаний другого объекта. Эту связь трудно представить без примера.

Резонанс и световые волны

Взять, к примеру, типичную световую волну (это поток белого света, который исходит от солнца) и направить ее на темный объект, пусть это будет черная змея. Молекулы в коже пресмыкающегося имеют набор резонансных частот. То есть электроны в атомах стремятся вибрировать на определенных частотах. Свет, спускающийся с солнца, – белый свет, который имеет многосоставную частоту.

Сюда входят красный и зеленый, синий и желтый, оранжевый и фиолетовый. Каждая из этих частот поражает кожу змеи. И каждая частота приводит к вибрации другого электрона. Желтая частота резонирует с электронами, резонансная частота которых желтая. Синяя частота резонирует с электронами, резонансная частота которых синяя. Таким образом, кожа змеи в целом резонирует с солнечным светом. Змея кажется черной, потому что ее кожа поглощает все частоты солнечного света.

Когда световые волны резонируют с объектом, они заставляют электроны вибрировать с большими амплитудами. Световая энергия поглощается объектом, и человеческому глазу не заметно, что свет возвращается обратно. Объект выглядит черным. Что делать, если объект не поглощает солнечный свет? Что если ни один из его электронов не резонирует со световыми частотами? Если резонанс не возникает, то вы получите передачу, пропускание световых волн через объект. Стекло кажется прозрачным, потому что оно не поглощает солнечный свет.

Свет все еще вызывает вибрации электронов. Но поскольку он не соответствует резонансным частотам электронов, колебания очень малы и проходят от атома к атому через весь объект. Объект без резонанса будет иметь нулевое поглощение и 100 % передачу, например стекло или вода.

Музыка и резонанс звуковых волн

Резонанс для звука работает так же, как и для света. Когда один объект вибрирует на частоте второго объекта, тогда первый заставляет второй вибрировать с высокой амплитудой. Так возникает акустический резонанс. Примером служит игра на любом музыкальном инструменте. Акустический резонанс отвечает за музыку, создаваемую трубой, флейтой, тромбоном и многими другими инструментами. Как работает это удивительное явление? Можно привести пример резонанса, который имеет положительный эффект.

Пройдя в собор, где играет органная музыка, можно заметить, что вся стена заполнена огромными трубами всех размеров. Некоторые из них очень короткие, а другие доходят до потолка. Для чего нужны все трубы? Когда начинает играть прекрасная музыка, можно понять, что звук исходит от труб, он очень громкий и, кажется, заполняет весь собор. Как такие трубы могут звучать так громко? Во всем виноват акустический резонанс, и он не является единственным инструментом, который использует это удивительное явление.

Создание звуковых волн

Чтобы понять, что происходит, вам сначала нужно немного узнать о том, как звук проходит по воздуху. Звуковые волны создаются, когда что-то вызывает вибрацию молекул воздуха. Затем эта вибрация перемещается, как волна, наружу во всех направлениях. Когда волна проходит по воздуху, есть области, где молекулы сжимаются ближе друг к другу, и области, где молекулы вытягиваются дальше друг от друга. Расстояние между последовательными сжатиями или расширениями известно как длина волны. Частота измеряется в единицах Герца (Гц), а один Герц соответствует одной скорости сжатия волны в секунду.

Люди могут обнаруживать звуковые волны с частотами от 20 до 20 000 Гц! Однако они не все звучат одинаково. Некоторые звуки высокие и скрипучие, в то время как другие низкие и глубокие. То, что вы на самом деле слышите, – это разница в частоте. Итак, как частота относится к длине волны? Скорость звука немного меняется в зависимости от температуры воздуха, но обычно она составляет около 343 м/с. Поскольку все звуковые волны движутся с одинаковой скоростью, частота будет уменьшаться по мере увеличения длины волны и возрастать при уменьшении длины волны.

Вредный резонанс: примеры

Часто люди принимают мостостроение и безопасность как должное. Однако иногда происходят катастрофы, заставляющие поменять свою точку зрения. 1 июля 1940 года в Вашингтоне был открыт мост Такома-Нэрроуз. Это был подвесной мост, третий по величине в мире для своего времени. Во время строительства мост получил прозвище «Галопирование Герти» из-за того, как он качался и сгибался на ветру. Это волнообразное колебание в конце концов привело к его крушению. Мост рухнул 7 ноября 1940 года во время бури, всего через четыре месяца его эксплуатации. Прежде чем узнавать о резонансной частоте и о том, что это связано с катастрофой моста Такома-Нэрроуз, сначала нужно понять что-то, называемое гармоническим движением.

Когда у вас есть объект, периодически колеблющийся назад и вперед, мы говорим, что он испытывает гармоническое движение. Один прекрасный пример проявления резонанса, испытывающего гармоническое движение, – свободная подвесная пружина с прикрепленной к ней массой. Масса заставляет пружину растягиваться вниз, пока в конце концов пружина не сжимается назад, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Этот процесс продолжает повторяться, и мы говорим, что пружина находится в гармоническом движении. Если вы посмотрите видео с моста Такома-Нэрроуз, то увидите, что он колебался, прежде чем рухнул. Он проходил гармоническое движение, как пружина с прикрепленной к ней массой.

Резонанс и качели

Если вы один раз толкнете своего друга на качелях, они несколько раз будут совершать колебательные движения и через некоторое время остановятся. Эта частота, когда колебание самопроизвольно колеблется, называется собственной частотой. Если вы даете толчок каждый раз, когда ваш друг возвращается к вам, он будет качаться все выше и выше. Вы нажимаете с частотой, аналогичной собственной частоте, и амплитуда колебаний возрастает. Такое поведение называется резонансом.

Несомненно, это один из примеров полезного резонанса. Среди прочих нагревание пищи в микроволновой печи, антенна на радиоприемнике, принимающем радиосигнал, игра на флейте.

На самом деле, есть также множество плохих примеров. Разрушение стекла высоким тональным звуком, разрушение моста легким ветерком, обрушение зданий при землетрясениях – все это примеры резонанса в жизни, которые не просто вредные, но и опасные, в зависимости от силы воздействия.

Разрушительная сила звука

Многие наверняка слышали о том, что винный бокал можно разбить голосом оперной певицы. Если вы слегка ударите бокал ложкой, он будет «звонить», как колокол, на своей резонансной частоте. Если на стекло оказывается звуковое давление на определенной частоте, оно начинает вибрировать. По мере того как стимул продолжается, вибрация в бокале накапливается до тех пор, пока он не разрушится, когда будут превышены механические пределы.

Примеры полезного и вредного резонанса повсюду. Микроволны окружают все вокруг, от микроволновой печки, которая разогревает пищу без применения внешнего тепла, до вибраций в земной коре, приводящих к разрушительным землетрясениям.

“Медуза” попала в “Сеть”: журналистское расследование вызвало шквал комментариев

Автор фото, Alexander Shcherbak/TASS

Подпись к фото,

Одиночный пикет в поддержку фигурантов дела “Сети”у здания ФСБ на Лубянке

Публикация издания “Медуза” о возможной связи некоторых фигурантов дела “Сети” с убийством и наркоторговлей вызвала огромный резонанс в соцсетях и поставила вопрос не только о содержании самой статьи, но и том, как должны вести себя в таких ситуациях журналисты.

10 февраля в Пензе семеро обвиняемых в организации террористического сообщества или участии в нем получили сроки от шести до 18 лет лишения свободы. После этого с открытыми письмами в защиту фигурантов дела “Сети” (организация запрещена в России) выступили ученые, врачи, художники и представители других профессиональных сообществ. В Москве и Петербурге прошли пикеты, в которых приняли участие сотни человек. Они требовали отмены приговора и расследования сообщений о пытках, с помощью которых могли быть выбиты показания во время следствия.

Вечером 21 февраля издание “Медуза” опубликовало расследование Максима Солопова и Кристины Сафоновой “Пошли четверо в лес, а вышли только двое”, в котором выдвигается версия о том, что некоторые фигуранты пензенского дела “Сети” могут быть причастны к убийству и торговле наркотиками. Источник информации издание описало так: к “Медузе” пришли активисты левого движения, которые провели собственное расследование дела.

Публикация вызвала бурю комментариев в соцсетях, а обсуждение явно вышло за рамки внутрицеховой журналистской дискуссии. Русская служба Би-би-си, оставляя за скобками суть подозрений (о них можно прочитать в “Медузе”), собрала разные точки зрения (цитаты по “Фейсбуку”).

Сырое расследование?

“Медуза” назвала свое расследование одним из самых трудных в истории редакции. “Мы отдаем себе отчет, что это тяжелый удар для всех, кто поддерживает фигурантов дела, – говорится в обращении к читателям. – Многие факты у нас по-прежнему с трудом укладываются в голове, но и скрывать такую важную информацию мы как журналисты не имеем права”.

Критиков “Медузы” это не удовлетворило. “Коллеги, вы на самом деле полагаете, что опубликованный вчера текст можно назвать журналистским расследованием? Вы это всерьез?” – написала замдиректора Ельцин-центра Людмила Телень, в 1990-е работавшая в “Московских новостях”.

“Как минимум можно было соблюсти простое правило: дать слово обвиняемым. В двойном убийстве обвиняемым”, – упрекает авторов руководитель политической редакции “Открытых медиа” Максим Гликин. На отсутствие комментариев адвокатов обратили внимание и другие пользователи соцсетей.

Журналист и правозащитник Зоя Светова еще в пятницу назвала материал “Медузы” “беспомощным”. “Объяснить сие можно лишь спешкой, – написала она. – Непонятно, зачем публиковать материал, если в послесловии вы указываете, что вскоре опубликуете тщательно проверенную версию”. “Это журналистский позор. Это демонстрация того, что нельзя делать расследовательской журналистике”, – еще жестче высказался публицист Кирилл Рогов.

На руку власти?

“О печальном. Претензии к качеству текста “Медузы” волнуют примерно 5000 человек в “Фейсбуке”, – пишет медиаконсультант Илья Клишин.При этом, по его словам, “широкие народные массы (условная коллегия присяжных)” сделали вывод о виновности фигурантов дела “Сети” в убийстве, а “то что не все, это уже никто не вникает”. “А значит, нет дыма без огня; а значит, не так уж не права была ФСБ; а значит, зря мы стали писать письма и ходить в пикеты; а значит, когда будет новое дело Голунова-Устинова-“Сети”-“Нового величия”, может и не так уж будут не правы силовики; значит, надо сидеть дома и не рыпаться”, – описывает ожидаемую реакцию на текст Медузы Клишин.

“Для ширнармасс [широких народных масс] дело “Сети” и было тем, что вы описываете в пункте один, – возразила ему из Парижа журналист и писатель Наталия Геворкян. – Для тех, кто вступился, ничего после статьи в “Медузе” не меняется. Против пыток – да, следствие проведено из рук вон [плохо] – да, подставные свидетели – да, приговор надо отменять – да”.

“Писать тексты, которые могут помочь силовикам оправдать свои действия – западло (извините, другого слова подобрать не могу)”, – написал российский политик Илья Пономарев, объявленный в розыск и в прошлом году получивший гражданство Украины.

Телевизионный обозреватель Арина Бородина обратила внимание, как публикацию подхватил канала “Россия 24”. “Медузу” называли “Медузой”, а не просто неким интернет-СМИ”, – пересказала она сюжет. Она добавляет, что участников “Сети” назвали убийцами и террористами. “Потом подробности, как убивали… Прямо цитаты из текста “Медузы” выводили на экран и окрашивали маркером, в деталях. Чтобы нагляднее”, – добавляет Бородина.

За “Медузу” заступилась живущая в Англии журналистка Маша Слоним. “Удивлена, с какой легкостью коллеги обвиняют “Медузу” в публикации слива, в продажности, в предательстве. Я удивлена, как бывше-нормальные люди (мое оценочное определение) поддаются конспирологическим теориям и уверенно делятся собственными версиями причин, по которым “Медуза” могла пойти на это”, – написала она.

“Я не верю в то, что “Медуза” сознательно, по чьему-то заказу напечатала угодную властям информацию, – продолжила Слоним. – Да, с публикацией, вероятно, надо было подождать и доработать текст и расследование. Но это профессиональная ошибка, а не умышленное сотрудничество с властью из каких-либо корыстных соображений. Может, подождем завершения расследования?”

Можно ли так поступать?

За несколько постов до этого Слоним была более категорична: “Этот текст далек от расследования, это набор непроверенных и неподтвержденных сообщений, солидное издание просто не имело права публиковать его в таком виде”.

Активист Сергей Давидис тоже считает, что хотя СМИ и “обязаны сообщать обществу неприятную информацию”, однако “конкретно эту статью” выпускать было нельзя. “Такие вещи можно и нужно публиковать только после тщательного расследования, когда разумных сомнений в достоверности написанного нет”, – написал он.

Журналист и писатель Николай Кононов вопросы к “Медузе” изложил в форме диалога с самим собой.

– Стоит ли накидывать дополнительные обвинения тем, кого и так посадили на 10+ лет?

– Дело журналиста – добыть общественно важную информацию и проверить ее. Что бы ни было установлено в ходе проверки, это следует публиковать, потому что горькая правда ценнее и полезнее любой постправды.

– Стоит ли вообще играть на стороне тех, кто сшил белыми нитками это позорное дело?

– Если журналист будет сомневаться, какой из сил на руку его статья, он предпочтет вообще никогда ничего не публиковать. И мы никогда ничего не узнаем.

– Ок, а возможно ли сделать полноценное расследование о двойном убийстве пятилетней давности за пять дней?

– Зачем тогда публиковать неполноценное расследование, особенно если его ключевой эпизод требует отдельных раскопок (в чем признается сама редакция)?

– Обычно такое происходит, когда очень нужен трафик, чтобы привлечь зрителей посмотреть какую-нибудь рекламную кампанию у себя на сайте. Или когда известно, что конкурирующее медиа готовит статью на ту же тему, и надо их опередить, чтобы улучшить репутацию независимых расследователей. Здесь явно второй мотив.

Журналист “Новой газеты” и муниципальный депутат Илья Азар напомнил, что “Медуза” – независимое СМИ, которому нужно зарабатывать деньги. “Чтобы их заработать, ему нужен рост аудитории, чтобы аудитория росла, ему нужны резонансные тексты, чтобы тексты были резонансными, они должны выходить раньше, чем у других”, – написал он.

“Поэтому и выпустили быстро-быстро текст, с которым можно было бы еще недельку-другую поработать”, – считает Азар. “Беспокойство о политических заключенных и многочисленности пикетов (как и о благополучии чиновников или результате единороссов на выборах) в эту схему не входит. Ничего личного, и не только “Медузы” это касается, это так в целом работает”, – добавил он, подчеркнув, что не оправдывает “Медузу”.

Уехавший в Берлин один из создателей газеты “Ведомости” Леонид Бершидский саркастически заметил, что давно научился, читая на русском, подавлять вопрос: “А что, так можно было?” “Но вот одну вещь выяснять было совсем уж необходимо – и необходимо до сих пор. Уголовное дело об убийстве еще открыто? Кто его ведет? Какие в нем показания и улики? А байкам леваков о леваках верить совершенно невозможно, и весь этот трэш и угар нормальный редактор просто повырезал бы; уж не знаю, что бы тогда осталось”.

“Поражает дружное осуждение журналистов, которые обнародовали эту историю. А то, что пропажа двух человек столько времени не расследуется не возмущает? – написала занимавшаяся темой преступности журналист Елизавета Маетная. – Что в сухом остатке? Гигантские сроки им дали ни за что, террористической группы не было, показания даны под пытками, при этом по какой-то причине не проверяют их на возможную причастность к гибели двух человек и не ищут других подозреваемых”.

Активист антифашистского движения Алексей Гаскаров поддержал одного из авторов расследований Максима Солопова. Вместе с ним он был арестован в 2010 году по “химкинскому делу”.

“У меня нет оснований не доверять тому, что там написано, – написал Гаскаров. – Многие сейчас наезжают на Макса Солопова, но мне как раз кажется наоборот хорошо, что именно он как левый и антифашист об этом написал. Очень важно на практике сейчас следовать принципам, по которым мы хотим жить. Не писать о фактах, потому что это неудобно, потому что это навредит тем, кто не причастен, потому что люди будут чувствовать себя обманутыми и т.п. Но так же себя ведет власть, которую мы критикуем. Очень важно быть другими”.

“Новые факты никак не отменяют ценность кампании [в поддержку осужденных по делу “Сети”]. Люди, которые ей занимались, не могли знать всех обстоятельств. Очевидно, что предъявленные обвинения в терроризме, и пытки, и факты, которые есть в деле, говорили о том, что дело сфабриковано”, – считает Гаскаров.

Фигурант “болотного дела” Алексей Полихович написал, что у него есть несколько вопросов к “Медузе” – например, как можно было не указать в тексте на личный конфликт между человеком, который стал источником информации (он пишет, что знает его), и Дмитрием Пчелинцевым, получившим по делу “Сети” 18 лет колонии.

“Почему я, зная, что есть такая история с мертвым человеком и пропавшим человеком, не написал об этом? Простого ответа тут нет”, – признал Полихович. “При всем сказанном я не считаю расследование “Медузы” заказухой ФСБ”, – подчеркнул он.

“В газете “Ведомости” была стена, на которой висели всякие выдающиеся корпоративные высказывания. Одно из них было [бывшего главного редактора] Татьяны Лысовой (передаю смысл): если вам кажется, что какая-то публикация к вам несправедлива, не надо сразу кричать, что это заказ – лучше сперва рассмотреть вариант, что это просто глупость (=ошибка), – написал бывший заместитель главного редактора “Ведомостей” Максим Солюс.

“Статья про “Сеть” плохая, но то количество обвинений, которое вылилось на “Медузу”, поражает. Никто никого не уважает, это очень плохо”, – резюмировал он. А телеведущий Павел Лобков саркастически сравнил осуждение “Медузы” с постановлением ЦК ВКП (б) о журналах “Звезда” и “Ленинград”.

Сам Максим Солопов в интервью радио “Эхо Москвы” сказал, что авторы расследования старались тщательно проверять информацию, поступившую к ним.

“Последним пунктом этой верификации стало то, что мы нашли человека, который был причастен к этому преступлению, – сказал он. – Когда нам человек сам признался в этом преступлении, мы, наверное, не могли дальше просто скрывать эту информацию, наличие ее у нас. Вот и все”.

Применение резонанса: эффект, понятие и виды

Эффект резонанса для разных частот внешнего воздействия и коэффициентов затухания Раскачивание человека на качелях — типичный пример резонанса. Нагруженное колебание, маятник, имеет собственную частоту колебаний, свою резонансную частоту и сопротивляется давлению с большей или меньшей скоростью.
Слово «Резонанс» имеет и другие значения.

Резона́нс

(фр. 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[1]. Для линейных колебательных систем значения частот резонанса совпадает с частотами собственных колебаний, а их число соответствует числу степеней свободы[1].

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.

Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г. в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.[2][3]

Электроника

В электрических цепях резонансом называется такой режим пассивной цепи, содержащий катушки индуктивности и конденсаторы, при котором ее входное реактивное сопротивление или ее входная реактивная проводимость равны нулю. При резонансе ток на входе цепи, если он отличен от нуля, совпадает по фазе с напряжением.

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

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

Электрическое устройство, состоящее из ёмкости и индуктивности, называется колебательным контуром

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

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

ω L = 1 ω C ⇒ ω = 1 L C {\displaystyle \omega L={\frac {1}{\omega C}}\Rightarrow \omega ={\frac {1}{\sqrt {LC}}}} ,

где ω = 2 π f {\displaystyle \omega =2\pi f} ; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах. Важно, что в реальных системах понятие резонансной частоты неразрывно связано с полосой пропускания

, то есть диапазоном частот, в котором реакция системы мало отличается от реакции на резонансной частоте. Ширина полосы пропускания определяется
добротностью системы
.

В электронных устройствах также применяются различные электромеханические резонансные системы.

Подробнее по этой теме см. Кварцевый резонатор.

Подробнее по этой теме см. Электромеханический фильтр.

Как определяется резонанс

На примере электричества и резонирования напряжений определить его можно специальными приборами: вольтметром или осциллографом. Для этого делают измерения напряжений во время настройки резонирования. При максимальном напряжении резонанс будет достигнут. Важно понимать, в какой именно системе достигается резонанирование. Например, в трансформаторе «Тесла» напряжение может достигать миллионов вольт и для настройки достаточно поднести щупы на небольшое расстояние к нему и менять параметры, смотря на изменение напряжения. Когда настройка будет достигнута и напряжение будет максимальным – это и будет резонирование.

Вам это будет интересно Особенности дифференциального тока


Прибор для демонстрации резонанса маятников

Акустика

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

Для акустических систем и громкоговорителей резонанс отдельных элементов (корпуса, диффузора) является нежелательным явлением, так как ухудшает равномерность амплитудно-частотной характеристики устройства и верность звуковоспроизведения. Исключением являются акустические системы с фазоинвертором, в которых намеренно создаётся резонанс для улучшения воспроизведения низких частот.

Виды и примеры резонанса

Только в самой физике различают такие виды резонанса как:

  • Механический резонанс – это все те же вышеупомянутые качели, резонанс моста от проходящей роты солдат, резонанс колокольного звона и т. д. Одним словом, резонанс, вызванный механическими воздействиями.
  • Акустический резонанс – это резонанс, благодаря которому работают все струнные музыкальные инструменты: гитара, скрипка, лютня, балалайка, банджо и т. д. К слову корпус музыкальных инструментов неспроста имеет свою форму. Звук, издаваемый струной при щипке, попадает внутрь корпуса и там вступает в резонанс со стенками, что в результате приводит к его усилению. По этой причине качество звучания той же гитары сильно зависит от того материала, из которого она сделана и даже от лака которым она покрыта.
  • Электрический резонанс – представляет собой совпадение частоты колебаний внешнего напряжения с частотой колебаний электрической цепи, по которой идет ток.

Помимо этих чисто физических резонансов есть еще уже упомянутый нами общественный резонанс – яркий отклик общества на какое-то событие (обычно политическое или экономическое), например брекзит Британии, ее выход из Европейского союза вызвал широкий общественный резонанс во многих странах Европы и особенно, разумеется, в самой Британии.

Есть также и когнитивный резонанс – это полное совпадение во взглядах и мнениях. Например, вы познакомились с новым человеком, а он думает так же как вы, у вас абсолютно схожие взгляды, вкусы, предпочтения, тогда имеет место когнитивный резонанс. И противоположное явление – когнитивный диссонанс, когда вы абсолютно не согласны с кем-то или чем-то, абсолютно не принимаете происходящего. (Например, автор этой статьи, оказавшись в каком-нибудь украинском бюрократическом учреждении, будь-то Жеке, БТИ или налоговой испытывает настоящий когнитивный диссонанс)).

Примечания

  1. 12
    Резонанс // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 4. — С. 308. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.
  2. Andrea Frova and Mariapiera Marenzana.
    Thus spoke Galileo: the great scientist’s ideas and their relevance to the present day (англ.). — Oxford University Press, 2006. — P. 133—137. — ISBN 978-0-19-856625-0.
  3. Stillman Drake, Noel M. Swerdlow, and Trevor Harvey Levere.
    Essays on Galileo and the history and philosophy of science (англ.). — University of Toronto Press, 1999. — P. 41—42. — ISBN 978-0-8020-7585-7.
  4. В реальных физических ситуациях (например, при колебаниях массивной и жесткой струны) часто́ты высших резонансных колебаний (обертонов) могут заметно отклоняться от величин, кратных частоте основного тона — такие обертоны называются негармоническими, см. также Кривые Рейлсбека.

Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
Стартовая страницаО системеТехнические требованияСинтезОбучающий модульСправка по системеКонтакты

Общий каталог эффектов

  • Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)
Акустический парамагнитный резонанс

Поглощение энергии акустических волн определённой частоты системой электронных спинов парамагнетика
Описание

Акустический парамагнитный резонанс (АПР)

– поглощение энергии акустических волн определенной частоты (избирательное поглощение фононов) системой электронных спинов парамагнетика, которое возникает при совпадении частоты
акустической волны
(энергии фонона) с интервалом между энергетическими уровнями парамагнитного иона в приложенном магнитнитном поле. Предсказан С. А. Альтшулером (1952). АПР можно рассматривать как акустический аналог
электронного парамагнитного резонанса
(ЭПР). Передача энергии электромагнитных колебаний парамагнитным частицам при ЭПР происходит непосредственно, в то время как передача акустической энергии при АПР происходит посредством
спин-фононного взаимодействия
. Известно несколько механизмов спин-фононного взаимодействия. В
парамагнетиках
наиболее существен механизм, при котором акустическая волна гиперзвуковой частоты модулирует
внутрикристаллическое поле
, а появляющееся при этом электромагнитное поле той же частоты взаимодействует со спином. Поглощение энергии гиперзвуковой волны (фононов) возникает при совпадении частоты поля с разностью выраженных в частотах энергетических уровней спина в приложенном магнитном поле. Другие возможные механизмы
спин-фононного взаимодействия
– акустическая модуляция магнитного
диполь-дипольного (или обменного) взаимодействия
между электронными спинами; модуляция тонкого или сверхтонкого взаимодействия электронных и ядерных спинов. АПР наблюдается по изменению поглощения акустической волны данной частоты в образце парамагнетика в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля. Дополнительное поглощение звука характеризуется коэффициентом α
p
:

, (1)

где W

– вероятность перехода между спиновыми уровнями
n
и
m
под действием гиперзвука с частотой ω,

– разность населенностей спиновых уровней, v

– скорость распространения акустической волны,
V
– объем образца, – его плотность. Получение значений и его зависимости от взаимной ориентации кристаллографических осей образца и направлений магнитного поля и волнового вектора УЗ-волны – цель измерений при исследованиях АПР. Измерения поглощения звука обычно выполняются
эхо-импульсным методом
на частотах ~1010 Гц. Для уменьшения основного решеточного поглощения звука, маскирующего эффект АПР, измерения проводят при гелиевых температурах. Акустические импульсы излучаются и принимаются пьезоэлектрическими пленочными преобразователями 2 (рисунок 1), нанесенными на противоположные плоскопараллельные торцы образца 3.

Блок-схема спектрометра для изучения акустического парамагнитного резонанса

Рис. 1

Возбужденные СВЧ-генератором 1

акустические импульсы распространяются через образец, многократно отражаясь от его торцов. Серия эхо-сигналов поступает в приемник
4
, где и регистрируется. Для наблюдения АПР на частотах 1011-1012 Гц используются методы излучения и приема упругих колебаний с помощью сверхпроводящих пленок, нанесенных на торцы исследуемого образца. В таких устройствах электроны сверхпроводника переводятся в возбужденное состояние за счет электрического или лазерного нагрева. Рекомбинация возбужденного состояния сопровождается излучением монохроматических фононов с частотой, определяемой шириной
сверхпроводящей щели
.

Ключевые слова

  • Поглощение звука
  • Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
  • Взаимодействие спин-фононное
  • Парамагнетик
  • Фононы
  • Резонанс акустический парамагнитный (АПР)
  • Волны акустические
  • Эхо-импульсный метод
  • Диполь-дипольное (обменное) взаимодействие

Разделы наук

  • Магнитная поляризация вещества
  • Твердые тела
  • Акустика
  • Механические колебания и волны
  • Квантовая механика

Используется в научно-технических эффектах

Квантовый магнитометр с оптической накачкой (Квантовый магнитометр с оптической накачкой)

Используется в областях техники и экономики

1Техника, используемая в геофизических исследованиях
1Приборы для измерения электрических и магнитных величин
1Технологии и техника разведки полезных ископаемых и геологических исследований

Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты

1Резонансное поглощение эл. магн. энергии в веществах, обусловленное ядерным парамагнетизмом (Ядерный парамагнетизм. Ядерный магнитный резонанс )
1Ядерный магнитный резонанс импульсный двойной (Ядерный магнитный резонанс импульсный двойной)
1Поглощение энергии акустических волн определённой частоты системой электронных спинов парамагнетика (Акустический парамагнитный резонанс)
1Парамагнетизм (Парамагнетизм )
1Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетика от температуры (Кюри закон)
1Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Применение эффекта

С помощью АПР определяют энергетические спектры парамагнитных ионов, исследуют механизмы спин-фононного взаимодействия, изучают динамику электронно-ядерных взаимодействий и нелинейных процессов. Как спектроскопический метод АПР существенно дополняет и расширяет возможности ЭПР, поскольку при акустическом резонансе разрешены практически все переходы между энергетическими уровнями спинов, а в ЭПР – только магнитные дипольные переходы. Наиболее важно изучение с помощью АПР энергетических спектров ионов с четным числом электронов (Cr2+, Fe2+ и др.), для которых характер спектра определяется Яна-Теллера эффектом. Использование акустических фононов с частотами 1012 Гц позволило определить особенности энергетических спектров ионов с большим начальным расщеплением уровней во внутрикристаллическом поле. Исследовано большое число парамагнитных ионов, содержащихся в диамагнетиках, полупроводниках и магнетиках, имеющих синглетное, дублетное и триплетное орбитальные состояния. С помощью АПР проведены прямые измерения компонент тензора электронного спин-фононного взаимодействия, тогда как с помощью ЭПР определяют только интегральные кинетические характеристики спин-решеточного взаимодействия. Информацию об искажении симметрии локального внутрикристаллического поля парамагнетика в результате наличия дислокаций, примесных центров и других дефектов структуры дает изучение формы линий АПР. На этом основан метод контроля качества кристаллов. Одновременное возбуждение системы ядерных и электронных спинов акустическим и электромагнитным полями создает дополнительную возможность исследования особенностей электронно-ядерных взаимодействий. Развитие исследований по АПР и спиновой динамике привело к созданию квантовых усилителей и генераторов ультразвука. Поскольку коэффициент , то при создании инверсии населенности спиновых уровней он становится отрицательным. Благодаря этому в условиях инвертирования при достаточно сильной спин-фононной связи происходит усиление акустических волн на частоте АПР. Если усиление превосходит затухание упругих волн в кристалле, наступает самовозбуждение системы, сопровождающееся генерацией когерентных фононов. Увеличение мощности распространяющихся через образец акустических импульсов в условиях АПР позволило обнаружить ряд новых явлений, имеющих место в когерентной оптике, – ультразвуковые спиновое эхо и самоиндуцированную прозрачность. Значительно большее время прохождения акустического импульса через среду по сравнению с оптическим импульсом дает возможность получить в этих случаях более точную информацию о механизмах взаимодействия волн различной природы со средой. При исследовании АПР в кристаллах с параэлектрическими центрами обнаружено взаимодействие гиперзвука с параэлектрическими центрами – модуляция диполь-дипольных связей.

Рассматривая взаимодействие гиперзвука

с электронами, следует принять во внимание тот факт, что электрон, кроме массы и заряда, обладает ещё собственным механическим моментом (
спином
) и связанным с ним магнитным моментом, а также орбитальным магнитным моментом. Между орбитальным магнитным моментом и спином имеет место
спин-орбитальное взаимодействие
: если меняется наклон орбиты, несколько меняется и направление спина. Прохождение гиперзвука подходящей частоты и поляризации может вызвать изменение магнитного состояния атомов. Так, при частотах гиперзвука порядка 1010 Гц в кристаллах парамагнетиков взаимодействие гиперзвука со спин-орбитальной системой выражается, например, в явлении акустического парамагнитного резонанса (АПР), аналогичного электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) и состоящего в избирательного поглощении гиперзвука, обусловленном переходом атомов с одного магнитного уровня на другой. При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, которые являются запрещенными для ЭПР.

Квантовые генераторы и усилители – электронные устройства для получения и/или усиления когерентных электромагнитных волн, работа которых основана на явлении вынужденного излучения. Излучение создают связанные электроны, входящие в состав атомов и молекул рабочего вещества. Их поведение подчиняется законам квантовой механики, в отличие от свободных электронов, движение которых в вакууме и элементах схем «обычной» радиоэлектроники хорошо описывает механика классическая. Вынужденное излучение возникает в результате одновременного, согласованного по частоте и направлению испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул вещества под действием внешнего поля. Оно может происходить в широком диапазоне частот – от радиоволн до ультрафиолета и гамма-излучения. Квантовая механика, созданная в начале 20 в., показала, что электроны в атомах могут занимать только вполне определенные энергетические уровни Е

0,
Е
1,
Е
2 …. Уровень
Е
0, соответствующий наименьшей энергии, называется основным, остальные – возбужденными. Под действием кванта электромагнитного излучения электрон может перейти с одного уровня на другой, причем
Е
2 –
Е
1 =
hn
, где
n
– частота излучения,
h
= 6,626.10–34 Дж.с – постоянная Планка. Если переход осуществляется с низкого уровня на более высокий, происходит поглощение кванта излучения. Обратный переход сопровождается его испусканием, причем частота и фаза возникшей и первичной волн в точности совпадают. Это излучение называется вынужденным. Таким образом, в результате вынужденного излучения каждый квант, действующий на возбужденный атом, молекулу или ион, удваивается. И если количество возбужденных атомов вещества больше, чем его атомов в основном состоянии (такое положение называется инверсной населенностью, а само вещество – активным), вещество начинает усиливать проходящую сквозь него электромагнитную волну. Вещество не только может усиливать электромагнитные волны, но одновременно и поглощает их. Величина усиления зависит от соотношения между числом актов вынужденного излучения и величиной потерь. Чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Его можно повысить, если заставить электромагнитную волну проходить активное вещество многократно, увеличивая число излученных квантов. Для этого вещество помещают в полость, ограниченную отражающими стенками – резонатор. Волну вводят в резонатор через отверстие связи в его стенке, и сквозь нее же выводят усиленное излучение, увеличивая тем самым потери. Поэтому коэффициент усиления такого квантового усилителя будет расти при уменьшении отверстия связи. Если отверстие связи и поглощение внутри резонатора сделать очень малыми, приращение энергии волны за счет усиления станет больше ее потерь. Тогда амплитуда любого случайно возникшего в резонаторе электромагнитного колебания станет быстро возрастать – квантовый усилитель превратится в квантовый генератор электромагнитного излучения. Квантовые генераторы оптического диапазона называются лазерами. Квантовые усилители, атомные и молекулярные генераторы, работающие в радиодиапазоне, нередко объединяют общим термином «мазеры», аббревиатурой английской фразы «Microwave amplification by stimulated emission of radiation» – усиление микроволн (волн сантиметрового диапазона) при помощи вынужденного излучения. Квантовые молекулярные генераторы, отличающиеся чрезвычайно высокой стабильностью (относительная погрешность
Dn/nЈ
10–11) используются в качестве стандартов частоты и времени. Квантовые усилители нашли широкое применение в радиоастрономии. Чувствительность радиотелескопов нельзя повышать только за счет увеличения размеров приемной антенны – их ограничивает прочность материалов и стоимость сооружения. Кроме того, слабое излучение космического объекта приходит на фоне значительных шумов. От них можно избавиться, увеличивая время наблюдения и накапливая полезный сигнал. Применение квантовых усилителей, настроенных на его частоту, позволяет подавить шумы и увеличить скорость накопления сигнала в десятки раз. Понятие вынужденного излучения сформулировал в 1916 А.Эйнштейн и показал, что это излучение должно быть когерентным. Однако возможность применить его для усиления и генерации электромагнитных волн стали серьезно рассматривать только в начале 50-х. В 1951 советский физик В.А.Фабрикант с сотрудниками подал авторскую заявку на новый способ усиления электромагнитных волн, в которой опирался на свои эксперименты 1939 по регистрации вынужденного излучения. По заявке было выдано свидетельство на изобретение, предметом которого стал «Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов длин волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается сквозь среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную, по сравнению с равновесной, концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию». Работы группы В.А.Фабриканта были связаны с вопросами радиолокации, поэтому формула изобретения была опубликована в открытой печати только в 1959 и никакого влияния на создание квантовых приборов оказать не могла. Использовать вынужденное излучение для получения радиоволн миллиметрового диапазона предложил в мае 1951 американский физик Ч.Таунс (Колумбийский университет), а в декабре он уже дал принципиальную схему генератора. Ему же принадлежит термин «мазер». Практически одновременно и независимо – в мае 1952 – доклад о возможности создания квантового генератора на молекулах сделали А.М.Прохоров и Н.Г.Басов (Физический институт им. П.Н.Лебедева). Первый квантовый генератор был построен в 1954 одновременно группами Таунса и Басова-Прохорова. Его рабочим веществом служил пучок молекул аммиака Nh4. В их спектре имеются пары энергетических уровней с разностью энергий, соответствующих частоте перехода
n
= 23,87 ГГц, т.е. лежащей в области СВЧ радиодиапазона. Инверсную населенность осуществляли путем разделения молекул, находящихся в различных энергетических состояниях, неоднородным электрическим полем. Пучок возбужденных молекул пролетал через резонатор – полость, ограниченную металлическими стенками. Волна, которую испускают первые влетевшие в резонатор молекулы, отражается от его стенок и взаимодействует с поступающими молекулами. Возникает вынужденное излучение, распространяющееся поперек пучка.

Реализации эффекта

Электронный Парамагнитный Резонанс

(ЭПР) — спектроскопический метод изучения вещества, открытый Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете в 1944 г.

Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в следующем. Если поместить свободный радикал с результирующим моментом количества движения J

в магнитном поле с напряженностью
B0
, то для
J
, отличного от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает
2J+1
уровень, положение которого описывается выражением:
W = gβB0M
, (где
М = +J, +J-1, …-J
) и определяется
Зеемановским взаимодействием
магнитного поля с магнитным моментом
J
. Расщепление энергетических уровней электрона показано на рисунке.

Энергетические уровни и разрешенные переходы для атома с ядерным спином 1 в постоянном (А) и переменном (В) поле.

Рис.1.

Если теперь к парамагнитному центру приложить электромагнитное поле с частотой ν, перпендикулярное B0, то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы, подчиняющиеся правилу отбора ΔМ = 1. При совпадении энергии электронного перехода с энергией электромагнитной волны будет происходить резонансное поглощение СВЧ излучения. Таким образом, условие резонанса определяются фундаментальным соотношением магнитного резонанса

hν = gβB0.

Поглощение энергии СВЧ поля наблюдается в том случае, если между уровнями существует разность заселённостей.

При тепловом равновесии существует небольшая разность заселённостей зеемановских уровней, определяемая больцмановским распределением N+ / N− = exp(gβB0/kT)

. В такой системе при возбуждении переходов очень быстро должно наступить равенство заселённостей энергетических подуровней и исчезнуть поглощение СВЧ поля. Однако, в действительности существует много различных механизмов взаимодействия, в результате которых электрон безизлучательно переходит в первоначальное состояние. Эффект неизменности интенсивности поглощения при увеличении мощности возникает за счёт электронов, не успевающих релаксировать, и называется насыщением. Насыщение появляется при высокой мощности СВЧ излучения и может заметно исказить результаты измерения концентрации центров методом ЭПР.

Литература

1. Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А.М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 43—44.

2. С. А. Альтшулер, Б. М. Козырев, Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп. М.: Наука, 1972.

3. А. С. Марфунин, Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М.:Недра,1975.

4. А. А. Галкин, О. Я. Гринберг, А. А. Дубинский, Н. Н. Кабдин, В. Н. Крымов, В. И. Курочкин, Я. С. Лебедев, Л. Г. Оранский, В. Ф. Шувалов, Приборы и техника эксперимента, 4 (1977) 284—284.

Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Литература

  • Richardson LF
    (1922), Weather prediction by numerical process, Cambridge.
  • Bretherton FP
    (1964), Resonant interactions between waves.
    J. Fluid Mech.
    , 20, 457—472.
  • Бломберген Н.
    Нелинейная оптика, М.: Мир, 1965. — 424 с.
  • Захаров В. Е.
    (1974), Гамильтонов формализм для волн в нелинейных средах с дисперсией,
    Изв. вузов СССР. Радиофизика
    , 17(4), 431—453.
  • Арнольд В. И.
    Потеря устойчивости автоколебаний вблизи резонансов, Нелинейные волны / Ред. А. В. Гапонов-Грехов. — М.: Наука, 1979. С. 116—131.
  • Kaup PJ, Reiman A and Bers A
    (1979), Space-time evolution of nonlinear three-wave interactions. Interactions in a homogeneous medium,
    Rev. of Modern Phys
    ,
    51
    (2), 275—309.
  • Haken H
    (1983), Advanced Synergetics. Instability Hierarchies of Self-Organizing Systems and devices, Berlin, Springer-Verlag.
  • Филлипс O.М.
    Взаимодействие волн. Эволюция идей, Современная гидродинамика. Успехи и проблемы. — М.: Мир, 1984. — С. 297—314.
  • Журавлёв В. Ф., Климов Д. М.
    Прикладные методы в теории колебаний. — М.: Наука, 1988.
  • Сухоруков А. П..
    Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. — Москва: Наука, 1988. — 230 с. — ISBN 5-02-013842-8.
  • Брюно А. Д.
    Ограниченная задача трёх тел. — М.: Наука, 1990.
  • Широносов В. Г.
    Резонанс в физике, химии и биологии. — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2000. — 92 с.
  • Резонанс // Музыкальная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1978. — Т. 4. — С. 585—586. — 976 с.

Вынужденные колебания. Резонанс

Вынужденные колебания

В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из состояния равновесия), в случае вынужденных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на преодоление трения, и потому полная энергия колебательной системы no-прежнему остается неизменной.

Вынужденные колебания в отличие от свободных могут происходить с любой частотой. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой внешней силы, действующей на колебательную систему. Таким образом, частота вынужденных колебаний определяется не свойствами самой системы, а частотой внешнего воздействия.

Примерами вынужденных колебаний являются колебания детских качелей, колебания иглы в швейной машине, поршня в цилиндре автомобильного двигателя, рессор автомобиля, движущегося по неровной дороге и т.д.

Резонанс

Резонанс возникает из-за того, что при внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время имеет одинаковое направление со скоростью колеблющегося тела и совершает положительную работу: энергия колеблющегося тела увеличивается, и амплитуда его колебаний становится большой. Если же внешняя сила действует «не в такт», то эта силы попеременно совершает то отрицательную, то положительную работу и вследствие этого энергия системы меняется незначительно.

На рис.1 показана зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы. Видно, что эта амплитуда достигает максимума при определенном значении частоты, т.е. при , где собственная частота колебательной системы. Кривые 1 и 2 отличаются величиной силы трения. При малом трении (кривая 1) резонансная кривая имеет резкий максимум, при большей силе трения (кривая 2) такого резкого максимума нет.

Рис.1. Резонансные кривые для различных значений силы трения.

С явлением резонанса мы часто встречаемся в повседневной жизни. Если в комнате задрожали стекла при прохождении по улице тяжелого грузовика, это значит, что собственная частота колебаний стекол равна частоте колебаний машины. Если морские волны попадают в резонанс с периодом корабля, то качка становится особенно сильной.

Явление резонанса необходимо учитывать при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены. Однако резонанс также может быть полезен. Явление резонанса используется при настройке радиоприемника на определенную частоту радиовещания, а также во многих других случаях.

Примеры решения задач

9 повседневных примеров резонанса – StudiousGuy

Вы когда-нибудь задумывались, как радио выбирает определенные частоты, чтобы вы могли включить ваш любимый канал, или почему на концерте оркестра разбивается стекло? Вы когда-нибудь чувствовали, что мост вибрирует, когда вы идете по нему? Как вы думаете, почему вы попадаете в такие ситуации? Ответ кроется в явлении резонанса.

Резонанс – это явление, при котором внешняя сила и вибрирующая система заставляют другую систему вокруг себя вибрировать с большей амплитудой при определенной рабочей частоте.Частота, при которой второе тело начинает колебаться или вибрировать с большей амплитудой, называется резонансной частотой тела.

Давайте посмотрим на примеры резонанса, которые встречаются в нашей повседневной жизни.

1. Качели

Детские качели – один из хорошо известных примеров резонанса. Когда мы толкаем качели, они начинают двигаться вперед и назад. Если дать качелям серию регулярных толчков, можно построить их движение.Человек, который толкает тетиву, должен синхронизировать время взмаха. Толкатель должен синхронизироваться с временем качания. Это приводит к увеличению амплитуды качания, чтобы достичь большего. Когда качели достигают собственной частоты колебаний, легкое нажатие на качели помогает сохранить его амплитуду из-за резонанса. Мы называем это синхронизированное движение «Резонансом». Но если толчок нерегулярный, качели вряд ли будут вибрировать, и это несинхронизированное движение никогда не приведет к резонансу, и качание не будет повышаться.

2. Гитара

Гитара производит звук исключительно за счет вибрации. В акустической гитаре, когда вы дергаете струну, она вибрирует и передает звуковую энергию в полый деревянный корпус гитары, заставляя ее (и воздух внутри) резонировать и усиливая звук (делая его значительно громче).

В то время как в электрогитаре, когда музыкант ударяет по струне, она колеблется, и электромагнитное устройство в гитаре превращает это колебание в электрический сигнал, который отправляется на усилитель.Усилитель посылает колебания на динамик. Если частота динамиков соответствует вибрации гитары, это приводит к звуку, который называется звуковой обратной связью.

3. Маятник

Маятник работает по тому же принципу, что и качели. Если мы толкаем маятник, он будет двигаться вперед и назад. Продолжительное нажатие через равные промежутки времени вызовет увеличение движения маятника. Если маятник регулярно толкают, его движение может быть значительно увеличено.

4. Певица, разбивающая бокал

Вы когда-нибудь видели или слышали о разбивании бокала в оркестре? Если да, то это все из-за явления резонанса. Собственная частота стекла или любого другого объекта определяется его формой и составом. Если голос певца попадает на резонансную частоту бокала с вином, происходит передача энергии. Однако полная передача энергии может вызвать разбитие стекла.

5.Мост

Группу солдат во время марша по мосту очень часто просят ломать ступеньки. Их ритмичный марш может вызвать экстремальные вибрации на собственной частоте моста. Если их синхронизированные шаги резонируют с собственной частотой моста, это может расшатать мост. Таким образом, при проектировании таких конструкций инженеры следят за тем, чтобы резонансные частоты компонентов отличались от резонансных частот других колеблющихся компонентов. Самый крупный пример того же – Tacoma Bridge Collapse , в котором частота потока воздуха совпадала с частотой моста, что приводило к его разрушению.

6. Музыкальная система, играющая в высоком тяжелом ритме

Вы когда-нибудь замечали, что стены и мебель вашего дома вибрируют, когда вы играете музыку в тяжелом ритме? Это потому, что собственная частота мебели резонирует с частотой звука музыки и, следовательно, заставляет их вибрировать.

7. Поющий в душе

Люди, которые не очень хорошо поют, звучат намного лучше во время пения в душе, потому что излучаемые чистые ноты резонируют в душевой кабине.Санузел закрытый и иногда небольшой; когда вы поете, звуковые волны чаще ударяются о стены, заставляя стену вибрировать, поскольку стены параллельны друг другу. Отраженные звуки ударяются друг о друга, заставляя стену вибрировать с вашей собственной частотой, и передается более громкий звук.

8. Радио

Когда мы поворачиваем ручку радио на наш любимый канал, мы меняем собственную частоту приемника. Тогда собственная частота приемника совпадает с частотой передачи радиостанции.Когда две частоты совпадают, происходит передача энергии, и мы слушаем выбранный канал.

9. Микроволновая печь

Пища быстро нагревается в микроволновой печи из-за резонанса. Излучение, испускаемое микроволновой печью, имеет определенную длину волны и частоту. И, как и все другие объекты, молекулы воды и жира также имеют резонансную частоту. На определенной частоте молекулы поглощают длины волн и начинают вибрировать, вызывая приготовление и нагрев пищи.

3.1.2: Несколько других примеров резонанса

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Примеры видео / аудио:
  2. Вопросы по резонансу:

Резонанс может возникать в любой системе, имеющей собственную частоту.Вероятно, вы слышали грохот или гудение в своей машине, которые возникают только на определенной скорости. Это пример резонанса; шины создают периодическую движущую силу, которая меняет частоту при изменении скорости. Различные части автомобиля имеют разные собственные частоты, особенно те, которые вышли из строя. Если частота вращения вращающихся шин совпадает с собственной частотой, эти части будут вибрировать с большей амплитудой, создавая гудение или дребезжание. Вот еще несколько примеров.

Примеры видео / аудио:

Вы, наверное, взорвали бутылку, чтобы получить записку.Бутылки разного размера создают разные ноты, и частичное наполнение бутылок водой также меняет высоту звука. Это примеры резонаторов Гельмгольца ; баллон с газом с единственным отверстием, которое будет резонировать с определенным шагом. Дувание через верх вызывает движущую силу в воздухе внутри, которая имеет собственную частоту из-за «упругости» воздуха и размера контейнера. Как мы увидим, акустические струнные инструменты, такие как гитара, состоят из полого корпуса, который действует как резонатор Гельмгольца.Вот более подробная информация о резонансе Гельмгольца.

Если вас когда-либо раздражал низкочастотный звук при движении по шоссе с частично открытым одним окном, вы испытывали резонанс Гельмгольца, когда воздух, проходящий мимо открытого окна, заставлял воздух внутри автомобиля вибрировать.

Резонанс возникает также в электрических цепях. Фактически, это один из способов настройки радиоприемника на определенную частоту вещания. Параметры контура настроены таким образом, чтобы контур имел резонанс, равный частоте станции, которую вы пытаетесь слушать.С этими параметрами в цепи протекает намного больше тока для этой конкретной частоты, что делает ток для этой частоты намного больше, чем для любой другой частоты. Вот симуляция схемы, которая показывает три схемы. Верхний контур приводится ниже резонанса, поэтому ток небольшой. Нижний контур имеет слишком большую частоту возбуждения. Средний контур работает на резонансной частоте \ (41.1 \ text {Hz} \) и имеет самые большие колебания тока.

Возможно, вы слышали слово «резонанс» в мире медицины.Магнитно-резонансная томография (МРТ) используется в медицине для получения изображений внутри тела, не причиняя вреда живым тканям. Каждая молекула в организме имеет собственную частоту колебаний. На каждой молекуле также есть электрические заряды, поэтому они могут приводиться в движение колеблющимся магнитным и электрическим полем (электромагнитной волной). Когда частота возбуждения колеблющегося магнитного поля равна собственной частоте молекулы, молекула поглощает энергию и подвергается более сильным колебаниям.Эта поглощенная энергия не проходит через тело и поэтому не обнаруживается снаружи после прохождения магнитного поля. Изменяя частоту возбуждения (частоту электромагнитной волны), можно отобразить расположение различных типов молекул в теле, создав карту внутренних структур. Это руководство по МРТ дает более подробную информацию и показывает некоторые изображения, полученные с помощью магнитно-резонансной томографии.

Вопросов по резонансу:

  1. Что подразумевается под затухающим гармоническим движением? Приведите пример.
  2. Что подразумевается под управляемым, затухающим гармоническим движением? Приведите пример.
  3. В чем разница между собственной частотой и частотой возбуждения?
  4. Определите резонанс.
  5. Перечислите как можно больше примеров резонанса в повседневной жизни.
  6. В YouTube певца, который разбил бокал своим голосом, объясняет, почему разбился бокал.
  7. Что такое резонатор Гельмгольца? Приведите пример.
  8. В моделировании с несколькими разными массами объясните, почему разные массы резонируют на разных частотах возбуждения.
  9. Собственная частота колеблющегося объекта равна \ (10 ​​\ text {Hz} \). На какой частоте вы хотите увеличить колебания?
  10. Что касается предыдущего вопроса, как часто в секундах нужно толкать объект, чтобы колебания стали больше?
  11. Укажите два способа изменения резонансной частоты системы масса-пружина.
  12. Почему амплитуда движущей силы не имеет такого значения, как частота движущей силы?
  13. Почему на видео на YouTube к стержням тележки прикреплены три разные массы?
  14. Предположим, вы записали амплитуду системы ведомой пружины для многих различных частот возбуждения и получили следующий график зависимости амплитуды от частоты возбуждения.Согласно графику, какова резонансная частота системы?

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)

  1. Какова резонансная частота ребенка на качелях, если период колебания равен \ (2.4 \ text {s} \)?
  2. Если период колебаний ребенка на качелях составляет \ (3.0 \) секунды, вы можете толкать его с периодом \ (3.0 \ text {s} \), и колебания станут больше. Что произойдет, если вместо этого вы нажмете каждые \ (6.0 \ text {s} \)?
  3. Для \ (3.0 \ text {s} \) в предыдущем вопросе, в какой период, кроме \ (6.0 \ text {s} \), вы могли бы подтолкнуть колебание, чтобы увеличить колебание? Мы поговорим об этих более высоких частотах (называемых гармониками) позже.
  4. Что лучше всего подойдет для струнного инструмента: высокая добротность или низкая? Объяснять.
  5. Из этой главы вы узнали, что радио можно настроить на разные частоты по принципу резонанса. Может ли более высокая добротность быть полезной для настройки радио? Почему или почему нет?
  6. Почему изменение движущей силы Fo не меняет резонансную частоту (Подсказка: посмотрите на уравнение для резонансной амплитуды в упражнении по моделированию.)?

Resonance | HowStuffWorks

Резонанс. Объект, который может вибрировать, имеет тенденцию делать это с определенной частотой, называемой естественной или резонансной частотой объекта. (Эта частота зависит от размера, формы и состава объекта.) Такой объект будет сильно вибрировать, когда он подвергается вибрациям или регулярным импульсам с частотой, равной или очень близкой к его собственной частоте. Это явление называется резонансом. Из-за резонанса сравнительно слабая вибрация одного объекта может вызвать сильную вибрацию другого.По аналогии, термин резонанс также используется для описания явления, при котором колеблющийся электрический ток усиливается электрическим сигналом определенной частоты.

Пример резонанса – двигатель, который вызывает вибрацию предмета мебели в другой части того же дома. Эти колебания возникают из-за того, что мебель имеет собственную частоту, равную частоте колебаний, создаваемых двигателем. Говорят, что мебель находится в резонансе с двигателем.Резонанс также может наблюдаться в автомобиле, когда определенная часть пепельницы, например, вибрирует, когда автомобиль движется с определенной скоростью. Зольник находится в резонансе с колебаниями двигателя на этой скорости.

Механический резонанс может вызывать вибрации, достаточно сильные, чтобы разрушить объект, в котором они возникают. Например, солдаты, марширующие по мосту, могут создавать сильные вибрации на собственной частоте моста и раскачивать его. По этой причине солдаты ломают ступеньки, чтобы перейти мост.В 1940 году порывы ветра в Пьюджет-Саунд-Нарроуз, Такома, Вашингтон, вызвали колебания подвесного моста с собственной частотой, и мост рухнул.

В музыке резонанс используется для увеличения интенсивности (громкости) звука. Например, сравнительно слабые колебания, производимые на конце органной трубы, вызывают резонансную вибрацию столба воздуха в трубе, что значительно увеличивает громкость звука. Этот принцип также применим к человеческому голосу, в котором колебания голосовых связок усиливаются резонансными колебаниями в ротовой и носовой полости.

Электрический резонанс используется для настройки радио и телевизоров. Настройка заключается в создании контура с резонансной частотой, равной назначенной частоте желаемой станции.

Резонанс в физике | Типы и примеры резонанса

В физике существует множество систем, которые по своей природе колеблются с большей амплитудой на такой частоте, и это состояние называется резонансом. Частота, на которой обнаруживаются колебания наивысшей частоты, называется резонансной частотой.Возникновение резонанса связано со всеми видами вибраций или волн. Резонанс может возникать с помощью механических, звуковых и электромагнитных волновых функций.

Важные вещи для резонанса – Для возникновения резонанса необходимы три вещи:

1. Объект или система, которые имеют собственную частоту.

2. Движущая сила, частота которой совпадает с собственной частотой системы.

3. Элементов, которые могут разрушить энергию системы, должно быть меньше всего.

(Примечание. В системе трение, вязкость и сопротивление являются некоторыми элементами, которые ответственны за потерю энергии.)

Некоторые последствия резонанса – Некоторые значения резонансной частоты следующие:

1. Легко вибрировать объект на его собственной частоте, но трудно вибрировать объект на другой частоте.

2. Вибрирующий объект выбирает из сложного возбуждения только ту частоту, которая равна его частоте.Таким образом, он работает как фильтр.

3. В основном вибрирующие объекты имеют несколько резонансных частот.

Примеры резонанса – Вот некоторые примеры резонанса:

1. Свинг – толкая качели, имейте в виду, что толчок должен даваться с тем же интервалом, который является естественным вращением замаха. , а затем размер этого колебания только увеличивается. То есть каждый раз гамак делает угол больше, чем его среднее положение. Напротив, если его перевести на другую частоту без учета упомянутого выше, его эффект может быть очень низким, нулевым или отрицательным.{2}} \].

3. Лазер. Лазер – это электромагнитная волна, но его особенность в том, что она чрезвычайно сходится, то есть частота всех его фотонов равна или очень близка к одной частоте. Кроме того, одинаковы и фазы всех колебаний. Лазер также производится с использованием оптического резонанса в оптическом резонаторе.

4. Звук – Музыкальные инструменты имеют особую аранжировку для звукового резонанса.

5.Хрустальный бокал разбивается, когда он соприкасается с музыкальным тоном правильной высоты. Интенсивность колебаний определяется следующим уравнением:

f = 12π Здесь Γ указывает на ситуацию затухания в системе, которая называется шириной линии. Ширина линии прямо пропорциональна влажности System.Интенсивность прямо пропорциональна квадрату амплитуды, а ширина линии обратно пропорциональна коэффициенту добротности, а коэффициент добротности является мерой резкости резонанса.

Типы резонанса. следует:

Механический и акустический резонанс – В механической системе механический резонанс – это природа реакции с большей амплитудой, когда частота его колебаний совпадает с собственной частотой колебаний системы (резонансная частота)

Здесь m обозначает Масса и k обозначают постоянную пружины.

\ [f = \ frac {1} {2 \ pi} \ sqrt {\ frac {k} {m}} \]

Частота резонанса для малых расстояний рассчитывается по формуле, приведенной ниже:

\ [f = \ frac {1} {2 \ pi} \ sqrt {\ frac {g} {L}} \]

Здесь g обозначает ускорение свободного падения, а L обозначает длина.

Акустический резонанс важен для музыкальных инструментов, потому что резонаторы используются в основном в акустических музыкальных инструментах, таких как струны и корпус скрипки, а также длина трубки в флейте.Помимо акустических музыкальных инструментов, акустический резонанс также важен для слуха. Акустический резонанс помогает нам слышать.

Электрический резонанс – В электрической цепи электрический резонанс возникает, когда индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление равны по величине. В некоторых электрических цепях электрический резонанс возникает, когда полное сопротивление между входом и выходом электрической цепи почти равно нулю, а передаточная функция цепи близка к единице.В электрической цепи последовательный импеданс двух элементов минимален, а параллельный импеданс максимален, когда возникает электрический резонанс.

Индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление равны по величине, ωL = 1 / ωC, поэтому:

\ [\ omega = \ frac {1} {\ sqrt {LC}} \]

Где ω = 2πf

f = частота резонанса, герц

L = индуктивность, Генри

C = емкость, Фарад

Качество резонанса определяется добротностью.Добротность – такой параметр в физике, который безразмерен. Степень демпфирования осциллятора или резонатора будет описана добротностью. Он также характеризует полосу пропускания резонатора относительно его центральной частоты. Чем выше коэффициент добротности, тем меньше потери энергии. Если коэффициент добротности снижается, потери энергии возрастают.

Цепь RLC состоит из сопротивления, индуктивности и емкости, которые соединены последовательно или параллельно в электрическом резонансе.Схема RLC почти такая же, как и схема LC, но с единственным отличием. В цепи RLC присутствует резистор, который уменьшает потери энергии в цепи. Этот эффект резистора называется демпфированием. Кроме того, резистор снижает пиковую резонансную частоту затухающих колебаний.

Оптический резонанс – Оптический резонатор является частью лазера, который состоит из двух зеркал, одно с высокой отражающей способностью и одно с частично отражающим. Оптический резонатор – это основной компонент лазеров, который окружает усиливающую среду и обеспечивает обратную связь с лазерным светом.Оптический резонатор также используется в параметрических генераторах света и некоторых интерферометрах. Оптический резонатор имеет большую добротность, что означает очень меньшие потери энергии.

Орбитальный резонанс – В небесной механике, когда орбитальные тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга, обычно из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением малых целых чисел, возникает орбитальный резонанс. Периоды обращения этих орбитальных тел могут быть связаны соотношением двух маленьких целых чисел.Причина в том, что изменяющиеся гравитационные силы тел вращаются вокруг друг друга. Устойчивость Солнечной системы впервые исследовал великий французский математик и астроном Лаплас. Когда спутник вращается вокруг планеты или две звезды вращаются друг вокруг друга, сила гравитации может немного измениться. Это изменение частично связано с эллиптической формой орбит, а планеты и звезды обычно не имеют сферической формы. В этом состоянии силы могут быть нестабильными, поэтому меньший партнер может меняться до тех пор, пока силы не станут стабильными, и спутники окажутся одной стороной к своей планете, потому что это наиболее стабильное положение.

Атомный, частичный и молекулярный резонанс – Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – это основное название атомного резонанса. Ядерный магнитный резонанс в основном используется в передовых методах медицинской визуализации, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Ядерный магнитный резонанс также используется для изучения молекулярной физики, кристаллов и некристаллических материалов. Ключевой особенностью ядерного магнитного резонанса является резонансная частота вещества, которая прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля.Эта ключевая особенность ядерного магнитного резонанса используется в методах визуализации, например, если объект помещен в неоднородное магнитное поле, то резонансные частоты ядер Объекта зависят от того места, в котором они находятся.

Электронный парамагнитный резонанс, более известный как электронный спиновой резонанс (ЭПР), представляет собой спектроскопический метод, который очень похож на ядерный магнитный резонанс, но их работы сильно отличаются друг от друга. Электронный парамагнитный резонанс использует неспаренные электроны.Если в основной формуле резонанса Ω заменить массой частицы M, а Γ – скорость распада, то их также можно рассматривать как нестабильные частицы. Эта формула происходит от пропагатора частицы, где ее масса заменяется комплексным числом M + I. По оптической теореме эта формула связана со скоростью распада частицы.

Структурная инженерия-резонанс и конструкции

Сообщение Брэдли Кокрейн 07.21,17

Вы когда-нибудь слышали историю об оперной певице, разбившей бокал одним голосом? Как такое могло случиться? стекло разбивается из-за громкого голоса, или это обман? Хотя громкость может играть роль, основная причина в том, что голос певца достигает определенной частоты, той же собственной частоты, что и у стекла. Когда частота голоса певца совпадает с собственной частотой стекла, он передает на стекло колебательную силу, которая быстро нарастает до тех пор, пока стеклянная структура не разобьется на части.

Как оказалось, эта история является прекрасной иллюстрацией для понимания резонанса и его влияния на конструкции. Вы, вероятно, не найдете кого-нибудь в шлеме с рогами из оперы, способного разрушить здание или мост своим голосом, но ветер, колебания земли от землетрясений и даже синхронные шаги, безусловно, могут и вызвали структурные повреждения из-за резонанса. Полезно понять, что имеется в виду под частотой, резонансом, некоторыми распространенными примерами резонансных частот и менее известным примером резонанса с пешеходным мостом длиной 1000 футов в Лондоне.

Основы

Частота

Частота обычно измеряется в герцах (Гц), что соответствует одному циклу в секунду. Примером того, что имеет частоту в один Гц, является секундная стрелка на ваших часах, которая совершает один тик в секунду.

Рис. 1 Синяя волна завершает десять циклов, а красная волна завершает один цикл, поэтому частота синей волны в десять раз выше, чем частота красной волны.(wolframalpha.com)

Резонанс

Резонанс определяется в Оксфордском словаре как «состояние, при котором объект или система подвергаются действию колебательной силы, имеющей частоту, близкую к его собственной частоте».

Что такое собственная частота? Каждая структура, от простого бокала для вина до 100-этажного небоскреба, имеет собственную частоту. Например, глаза, которые вы используете для чтения этих слов, имеют резонансную частоту около 50 Гц.Вы когда-нибудь были на концерте и буквально ощущали музыку в груди? Ваша грудная стенка имеет диапазон резонансных частот 50–100 Гц, что совпадает с басовой частью песни. The Beach Boys могут не согласиться, но это не всегда вызывает хорошие вибрации.

Мощность и устойчивость

Можно с уверенностью сказать, что большинство из нас видели разрушения, вызванные ветром и землетрясениями. Например, смерчи и ураганы не должны выдерживать резонансную частоту крыши здания, чтобы повредить ее; обычно разрушение вызывает чистая сила шторма.Это очевидный тип отказа, который отражается в руководящих правилах, которые инженеры-строители используют для безопасного проектирования цивилизационных сооружений. Что представляет особый интерес, так это скрытый эсминец, который использует не порыв ветра в 200 миль в час, а устойчивый ветер в 40 миль в час. В конце концов, если конструкция безопасна при высокой скорости ветра, зачем нам обращать внимание на ветер при более низких скоростях? Если пешеходный мост в Лондоне конструктивно способен выдержать переправу 5000 человек через Темзу, почему мы должны проверять возможные режимы отказа, если на мосту находится только половина людей? Как вы уже догадались – резонанс.

Лондонский пешеходный мост Миллениум

Рис. 2 Лондонский пешеходный мост Миллениум через реку Темзу (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Mill.bridge.from.tate.modern.arp.jpg)

Лондонский пешеходный мост Миллениум открылся для публики 10 июня 2000 года, но был закрыт через два дня на два года из-за поперечных колебаний, которые ощущались при переходе пешеходов по подвесному мосту. Он был рассчитан на нагрузку в 5000 человек, поэтому несколько удивительно, что для начала раскачивания потребовалось всего около 2000 человек.Представьте, что вы застряли в толпе, пытаясь пройти тысячу футов на другую сторону Темзы по красивому новому мосту. Влево, вправо, влево, вправо, почти как в армии; Человек перед вами едва успевает пошевелить левой ногой, как ваша левая ступня занимает ее место, а ваша правая ступня едва ускользает от приближения человека позади вас. Ваш правый шаг теперь имеет силу 2000 правых шагов, и то же самое с вашим левым шагом. Все становятся еще более синхронизированными, поскольку мост реагирует сбоку, и вскоре проблема обостряется, поскольку эти ступеньки опускаются с большей силой, чтобы вы не упали, что только заставляет мост реагировать дальше, и так далее.Внезапно вы обнаруживаете, что пытаетесь сбежать с моста, в то время как мост пытается сбежать от вас.

Это не могло произойти с одним человеком, но дело в том, что для этого не требовалось 5000 человек. Подобно тому, как громкость голоса оперного певца играет роль в нашей истории, но не является основным фактором разбивания стекла, количество людей, безусловно, играет роль в колебании дорожки, но что действительно важно, так это частота их шагов. Если бы одна и та же толпа шла медленно или даже бегала в унисон, колебания не возникло бы, поскольку частота их шагов не соответствовала бы собственной частоте конструкции.

К счастью, это было обнаружено на раннем этапе без жертв или значительных повреждений, и впоследствии очень хорошо задокументировано П. Даллардом и другими (см. Ссылки). Первое, что было предпринято, чтобы предотвратить раскачивание «шаткого моста», – это ограничить количество людей, которым разрешено переходить через него в любой момент времени. Как вы теперь понимаете, это не решило проблему; однако в течение двухлетнего периода закрытия было найдено решение путем установки демпферов.

Фиг.3 Один из тридцати семи жидкостно-вязких демпферов, установленных для управления горизонтальным перемещением (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Bridge_vert_mode_shock.jpg)

Демпферы бывают разных форм, и работают они за счет рассеивания энергии. При этом использовались два типа демпферов: жидкостно-вязкие и настроенные массовые демпферы. Жидкостно-вязкие демпферы помогают, преобразовывая кинетическую энергию в тепло или другую форму энергии. Настроенные демпферы массы уменьшают амплитуду колебаний, что фактически превращает 2000 синхронизированных шагов стопы в 20.Когда мост был вновь открыт после того, как амортизаторы были модернизированы до конструкции, мост Миллениум больше не раскачивался, и проблема, вызванная резонансом, была побеждена.

Заключение

Мы многое узнали о резонансе, и мы постоянно узнаем больше. Строительные инженеры использовали отказы из-за резонанса, который может предложить история, для разработки новых способов защиты населения в таких районах, как Лондон на мостах, а также в сейсмически активных районах, таких как Лос-Анджелес и Новая Зеландия, с использованием систем базовой изоляции.Количество и эффективность решений растет, что ведет к более безопасному завтрашнему дню. Первым и наиболее важным шагом, как всегда, является выявление и понимание проблемы. Так что в следующий раз, когда вы пойдете в оперу с друзьями, и они зададутся вопросом, почему ваше вино в пластиковом стакане, вы можете дождаться высокой ноты, чтобы ввести их в резонанс.

Список литературы

Даллард П., А. Дж. Фитцпатрик, А. Флинт, С. Ле Бурва, А. Лоу, Р. М. Ридсдилл Смит и М.Уилфорд. «Лондонский пешеходный мост Миллениум». Инженер-строитель 79,22 (2001): 17-33. Интернет.

Захватывающая физика резонанса

На прошлое Рождество мой двоюродный брат подарил мне массажер для головы. Мало ли она знала о его потрясающей физике, которую я собирался раскрыть… и научить ее! На самом деле, я был настолько поражен этим подарком, что решил показать его гораздо большему количеству людей:

Магия массажеров для головы

Итак, позвольте мне быстро объяснить захватывающую физику массажеров головы.Как ни странно, когда длинная струна натягивается, а затем отпускается, все длинные струны начинают вибрировать. Однако короткие строки – нет.

В самом деле? А как насчет того, чтобы дергать за короткие ниточки?

Это то же самое! Отпускание короткой струны заставляет все короткие струны вибрировать, а длинные почти не двигаются!

Почему?

Совершенно верно! Почему???

В видео вы что-то сказали о резонансе…

Да. Но прежде чем перейти к резонансу, мне нужно поговорить о частотах.

Что это?

Частота – подсчет количества повторений движения за заданный промежуток времени. Другими словами, чем выше частота, тем чаще вы будете ощущать дрожь. Важно отметить, что струна, как и в музыкальных инструментах, имеет определенную собственную частоту, которую мы обычно называем ее высотой тона или музыкальной нотой. И то же самое действительно для всех объектов.

Значит, у каждой струны массажера для головы есть собственные частоты?

Да! И, как и в музыке, эти собственные частоты зависят от формы струн и их материалов.Следовательно, все длинные струны имеют одинаковую собственную частоту, которая отличается от обычной собственной частоты коротких струн. Теперь, когда вы отпускаете длинную струну, эта длинная струна будет вибрировать с собственной частотой. За счет резонанса это будет возбуждать все окружающие объекты с одинаковой собственной частотой. Вот почему колебания одной длинной струны заставят вибрировать все другие длинные струны, и только они.

Ужасающий резонанс

Меня больше всего поражает универсальность феномена, который раскрывают массажеры для головы.Резонанс вездесущ! И это имеет ужасающие последствия.

Как обрушение моста, о котором интервьюировали в видео?

Совершенно верно! Они имели в виду обрушение моста в Анже в 1850 году. Этот подвесной мост сломался, когда по нему прошел батальон солдат. Хотя износ моста и плохая погода в тот день определенно сыграли свою роль, считается, что именно резонанс их марша действительно спровоцировал обрушение моста.(Изображение из Викимедиа)

Фактически, в то время явление резонанса было уже хорошо известно военачальникам, поскольку им требовалось, чтобы батальоны ломали ступеньки при переходе мостов. Но этого явно было недостаточно, чтобы не дать Анжескому мосту обрушиться…

Неужели инженеры-строители не могут что-то сделать, чтобы предотвратить резонанс?

Это не так просто. Каждая искусственная конструкция имеет собственные частоты, и резонанс с непредвиденными вибрациями может быть впечатляюще устрашающим.Один особенно вопиющий пример произошел с небоскребами в Японии, вскоре после землетрясения силой 9 баллов:

.

Ой, боже… Боже! Надеюсь, они приняли меры по противодействию резонансу в современных огромных небоскребах!

Есть! Забавно, что решение, данное для предотвращения колебаний в ранее самом высоком здании в мире Taipei 101, состоит в том, чтобы позволить некоторым массивным объектам внутри здания колебаться без него. Точнее, инженеры поместили внутрь Taipei 101 огромные маятники.Эти маятники естественным образом улавливают колебания всего здания.

Не уверен, что понимаю, почему это работает…

Упрощенный взгляд на это выглядит следующим образом. С точки зрения вибраций важны колебания центра масс. В случае землетрясения все здание должно будет вибрировать. Однако, позволяя некоторой части его массы вибрировать независимо от самого здания, вибрации самого здания уменьшаются. Вот видео простого эксперимента, демонстрирующего явление так называемого массового демпфера путем сравнения первого случая без массового демпфера и второго с массовым демпфером:

Предотвращение резонанса или, по крайней мере, уменьшение его эффектов – важная часть других начинаний гражданского строительства.Производители судов предотвращают резонанс между волнами и кораблем, производители автомобилей избегают шумного резонанса между двигателем и корпусом автомобиля, а строители железных дорог ограничивают резонанс между воздушными линиями. Чтобы вернуться к зданиям, прежде чем перейти к полезному резонансу, вот более полное видео TedEds:

Восхитительный резонанс

Но резонанс – это не всегда плохо. Во-первых, он позволяет проводить зрелищные шоу с катушками Тесла, как блестяще объяснено в следующем потрясающем видео от Gentleman Physicist:

Вау! Вы собираетесь здесь объяснять катушку Тесла?

Извините… нет.Вы можете проверить отличное объяснение в этом видео Дрю Колпурса. Вместо этого я хочу поговорить о еще более важных приложениях резонанса.

Как что?

Нравится радио. Вы когда-нибудь задумывались об этом? Когда вы слушаете 100 AM, вы слышите только 100 AM. Вам не кажется, что это взорвало?

Я никогда не думал об этом … Но ДА !!! Это потрясающе!

И это благодаря резонансу!

В самом деле? Какое отношение радио имеет к резонансу?

Ключ – это цепь RLC.

Что такое цепь RLC?

Я не хочу вдаваться в подробности, но, по сути, схема RLC состоит из трех компонентов: сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора. Важно отметить, что эта схема имеет собственную частоту, которая в основном зависит от катушки индуктивности и конденсатора.

В цепи есть собственная частота? Что это обозначает?

Это означает, что если вы подаете электрический ток сразу в цепь RLC, то напряжение в точке будет колебаться с этой собственной частотой.Но что еще более важно, если вы вводите альтернативный электрический ток, частота которого совпадает с собственной частотой цепи RLC, то за счет резонанса электрический ток в цепи RLC будет значительно усилен.

Тем не менее, я не понимаю, какое это имеет отношение к радио…

Вместо классического источника переменного тока радиостанции используют электромагнитную радиоволну для запуска токов в своих цепях RLC. И, что особенно важно, из-за резонанса ток, индуцируемый в цепи RLC электромагнитными радиоволнами, представляет собой только ток радиоволн той же частоты, что и собственная частота цепи RLC! Вот почему, когда мы слушаем 100 AM, мы слышим только 100 AM.4 $ герц, что равняется 1 МГц. Это означает, что сигнал 100 AM колеблется один миллион раз в секунду.

Подождите … Когда мы слушаем 100 AM, разве мы не слышим реальный звук, а не звук, соответствующий частоте 100 AM?

Мы делаем! Это потому, что сигнал 1 МГц – это просто несущая волна . Чтобы отправить фактический сигнал через несущую волну, вам нужно модулировать несущую волну. Это можно сделать, умножив несущую волну на реальный речевой сигнал, который имеет гораздо более низкую частоту.Это соответствует рисунку справа, где первая кривая, помеченная как «сигнал», является фактическим отправляемым сообщением.

Есть небольшая разница между амплитудной модуляцией (AM) и частотной модуляцией (FM). В первом случае колебания фактического сообщения умножаются на колебания несущей волны, тогда как во втором случае именно частота уменьшается, когда фактический сигнал, который должен быть отправлен, имеет низкую амплитуду, следовательно, уменьшается резонанс.

Сигнал AM выглядит знакомо…

Если вы когда-либо работали со звуковыми сигналами, то определенно должны! Просто взгляните на результаты поиска Google Image по запросу “Звук”.

Что это значит? Есть ли модуляция голосовых сигналов?

Удивительно, да. Когда вы говорите, вы в основном модулируете высоту своего голоса, которая действует как волновой носитель, умножая ее на звук слов, которые содержат фактическое сообщение! Очевидно, небольшое отличие от радио состоит в том, что вместо электромагнитной волны вы используете механическую волну давления воздуха.

Вы хотите сказать, что наши уши работают как радиоприемники?

Да! Разве это не потрясающе?

Но как они это делают? Я имею в виду … У ушей нет внутренних цепей RLC, не так ли?

№Давайте заглянем нам в уши с этим тизером шоу BBC:

Что особенно важно, внутри наших ушей находится набор крошечных волосковых клеток разной высоты, погруженных в жидкость. Эти волосковые клетки в точности похожи на струны наших массажеров для головы. Они будут вибрировать только в том случае, если жидкость, в которую они погружены, колеблется с их собственной частотой. Теперь, поскольку эта жидкость находится в контакте с давлением воздуха прямо за пределами наших ушей, она вибрирует в соответствии со звуковыми волнами.Итак, что удивительно, обнаруживая, какие волосковые клетки вибрируют, наши нейронные системы могут различать частоты, составляющие звуковые волны, которые мы слушаем! Разве это не удивительно?

Уау! Это так круто!

Итак, массажеры для головы – это просто макроскопическая копия того потрясающего физического окружения, которое находится в наших ушах! Это потрясающе! Теперь я должен упомянуть, что есть и другие применения резонанса в медицине. В первую очередь это знаменитый магнитно-резонансный томограф (МРТ), который позволяет отслеживать активность мозга.Еще одним интересным приложением может быть лечение рака.

Музыка и несколько частот

Настоящие звуки на самом деле являются сложением множества разных частот. Фактически, удивительным и в то же время фундаментальным результатом анализа Фурье является тот факт, что все сигналы представляют собой композиции разных частот. Но на самом деле то же самое верно и для собственных частот.

Что ты имеешь в виду?

Я имею в виду, что объекты на самом деле имеют несколько собственных частот. Конечно, некоторые из них более « естественные », чем другие, но тот факт, что они имеют несколько из этих частот, является феноменом, который имеет важное значение для музыки.Оказывается, причина, по которой несколько различных музыкальных нот называются одним и тем же именем, , сильно зависит от этого факта!

В самом деле? Вы хотите сказать, что между двумя нотами с по существует сильная связь?

Да! На это прекрасно указал замечательный Маркус дю Сотуа в шоу BBC Story of Math:

.

Но что это за сильная связь? Какое отношение к гармонии звука имеет деление струны пополам?

Важно отметить, что у струны не только одна собственная мода колебаний.Конечно, основной режим колебаний соответствует вибрации струны, в которой остаются только две конечные точки. Но есть также колебания со средней точкой, называемые второй модой. Или, когда еще остаются первая и вторая третьи точки, это называется третьим режимом. И так далее… Прекрасная визуализация этого явления была создана великим Брайаном Коксом в вечернем шоу BBC:

Частоты различных форм колебаний соответствуют собственным частотам колебаний струны.Таким образом, когда мы возбуждаем гитарную струну, она будет вибрировать во всех различных режимах вибрации (хотя первый режим является основным). Теперь, что очень важно, многие из этих режимов вибрации для полной струны являются общими для полусуны! Фактически, все четные моды колебаний являются модами колебаний полуструны. Итак, удивительно, что октава от до содержит все колебания октавы от до . Вот почему они звучат так гармонично!

Вы хотите сказать, что когда мы слушаем до верхней октавы, мы слышим ее до нижней октавы?

Это именно то, что я говорю! При переключении с одного на другой некоторые волосковые клетки наших ушей все еще вибрируют, как раньше.Вот почему в нашем построении музыки есть такая важная гармония!

Отлично!

Я знаю!

Немного математики

Теперь, как математик, я не могу оставить у вас впечатление, что резонанс работает благодаря какой-то необъяснимой магии. Итак, в этом последнем разделе я объясню универсальный основной феномен. Для этого нам нужно обобщить этот паттерн, который соответствует математике.

Возможно, это прозвучит странно, поскольку я опишу резонанс с очень математической точки зрения, вместо того, чтобы выводить уравнения из физического моделирования.Моя статья о личности Эйлера является предпосылкой для этого раздела.

Итак, как вы используете математику для описания резонанса?

Во-первых, нам нужно описать частоты.

Как вы это описываете?

Частота описывает повторяющееся явление, поскольку подсчитывает, сколько раз начальное состояние происходит в единицу времени. Какая самая простая математическая структура соответствует этому?

Хмм … не знаю …

Что-то, что возвращается в исходное состояние… Как это звучит?

Как петля?

В точности как петля! На самом деле, давайте рассмотрим простейший вид петли: круг! Я утверждаю, что зацикливание по кругу – это простейшая ситуация, в которой понятие частоты начинает обретать смысл.{i \ tau k} = 1 $. Между моментами времени $ t = 0 $ и $ t = 1 $ это происходит для целых чисел $ k $ от $ f t = 0 $ до $ f t = f $. Таким образом, это происходит $ f $ раз, что означает, что за 1 единицу времени происходит $ f $ колебаний. Итак, да, $ f $ действительно частота.

Итак, $ z (t) $ представляет колебание на частоте $ f $… Как это соотносится с собственными частотами?

Важно отметить, что естественные движения индуцируются дифференциальными уравнениями. {i \ tau f t} = i \ tau f z $.{i \ tau F t} $, окончательно получаем уравнение $ i \ tau a (F – f) = A $. В частности, амплитуда колебаний физического объекта имеет абсолютное значение $ | a | $, равное:

Эта формула означает, что амплитуда вращения вагона пропорциональна амплитуде $ A $ внешнего источника, что неудивительно. Но, что более важно, она обратно пропорциональна разнице частот. Итак, поразительно, но если частота источника полностью совпадает с частотой нашего физического объекта, амплитуда колебаний нашего физического объекта бесконечна! Это крайний резонанс!

И я полагаю, что это почти всегда разрушает физический объект!

Да, конечно! В реальной жизни очень маловероятно, что $ F = f $.2} $, который никогда не взорвется, если $ r> 0 $.

Честно говоря, я не очень доволен собой для этого раздела, так как, кажется, я не могу получить интуитивное представление о резонансе без использования дифференциальных уравнений, таких как $ z-i \ tau f z = Z $. Прошу прощения за это … Если у вас есть идеи, как добиться большего успеха, я хотел бы это услышать!

Заключение

Феномен резонанса поражает своей вездесущностью в окружающем нас мире. Как сказал Никола Тесла: «, если вы хотите понять вселенную, подумайте об энергии, частоте и вибрации ».В этой вселенной вибраций резонанс играет центральную роль.

Вы не преувеличиваете?

Не думаю. Современные теории физики, такие как квантовая механика, наполнены волнами. Концепция частоты имеет важное значение для этих теорий, а резонанс – это очень противоречивый, но ключевой аспект для понимания этих теорий. А ключ к истинному пониманию волн лежит в мощном анализе Фурье. Но прежде чем читать об этом больше, я предлагаю вам сделать паузу еще на 3 минуты, чтобы взглянуть на удивительный эксперимент с пластиной Хладни, проведенный Брюссупом, который раскрывает некоторые впечатляющие резонансные явления, возникающие на трясущейся пластине:

Здесь происходит то, что песок падает на не колеблющиеся участки плиты.Участки пластины, которые резонируют с центральными колебаниями, избавляются от песка из-за своих колебаний.

4 Правила их оценки на практике

Четыре ключевых фактора при оценке резонансных структур

Не все формы резонанса одинаково важны. Так как же оценить, насколько «важна» каждая резонансная структура?

Как мы видели в предыдущих сообщениях, четыре ключевых фактора, определяющих важность резонансных структур в органической химии:

  • Правило №1: минимизация затрат
  • Правило №2: предпочтение отдается полным октетам
  • Правило №3 : Насколько стабильны отрицательные заряды?
  • Правило № 4: Насколько стабильны положительные заряды?

Сегодня давайте подведем итог всему, что мы узнали о резонансных структурах в этом устройстве.

Содержание

  1. Вспомните три «законных» «движения» стрелок, толкающих электроны, используемых для взаимного преобразования резонансных структур
  2. Помните, что резонансные структуры не находятся в равновесии друг с другом – они вносят вклад в общий резонанс » Гибрид »
  3. Не все формы резонанса имеют одинаковое значение. Итак, как мы можем оценить, насколько каждый из них «важен»?
  4. Правило № 1: Нейтральные резонансные структуры более «важны», чем заряженные резонансные структуры
  5. Правило № 2: Полные октеты предпочтительнее пустых октетов (и никогда, никогда не иметь пустых октетов для кислорода или азота!)
  6. Правило № 3 : Поместите отрицательные заряды на атом, который наилучшим образом стабилизирует его (т.е. Наименьший основной атом)
  7. Правило № 4: Поместите любые пустые октеты на атомы, которые лучше всего могут их стабилизировать (т.е. углерод, а не кислород или азот)
  8. Применение резонанса: «Пи-донор»
  9. Второе применение резонанса : «Pi Acceptors»
  10. Проверь себя! (Об оценке резонансных структур)

1. Вспомните три «законных» «движения» стрелок, толкающих электроны, используемых для взаимного преобразования резонансных структур

После всех этих сообщений о резонансе, я подумал, что было бы неплохо иметь итоговый пост что обсуждалось до сих пор.

Один из ключевых навыков анализа реакционной способности молекулы – уметь определять, где находятся электроны.

Как я уже писал здесь, если мы имеем дело с одинарными связями, это относительно простой вопрос определения различий в электроотрицательности.

Однако, если присутствуют множественные связи (π-связи), мы начинаем сталкиваться с небольшой проблемой: может быть несколько способов распределить электроны на одной и той же молекуле (то есть разные резонансные формы). Следовательно, чтобы понять электронную плотность в молекуле, в которой присутствуют пи-связи, мы должны сначала понять важность ее различных резонансных форм.

Как мы можем «найти» резонансные формы для данной молекулы? Это можно сделать методом проб и ошибок, но верный способ сделать это – применить формализм изогнутой стрелки, который является способом изображения «движения» электронов.

Существует три «законных» способа перемещения электронов с помощью изогнутых стрелок: от связи пи к неподеленной паре, от неподеленной пары к связи пи и от связи пи к связи пи:

2.Помните, что резонансные структуры не находятся в равновесии друг с другом – они вносят вклад в общий резонансный «гибрид»

Вот важный момент, касающийся резонансных форм. Заманчиво (и очень неправильно!) Думать, что эти резонансные формы находятся в «равновесии» между собой. Избегайте этой распространенной ошибки!

Вместо этого «истинное» состояние молекулы будет «гибридом» этих резонансных форм.

Например, в приведенных ниже примерах катионов ацетата и аллила «истинная» структура молекулы представлена ​​комбинацией двух резонансных форм 50:50.

3. Не все формы резонанса имеют одинаковое значение. Итак, как мы можем оценить, насколько каждый из них «важен»?

В случае ацетат-иона и аллильного катиона обе резонансные формы равны по энергии, поэтому «гибрид» представляет собой смесь двух компонентов в соотношении 1: 1. Однако это бывает очень редко.

Возьмите кетон ниже (ацетон или «пропанон»), для которого мы можем нарисовать 3 различные формы резонанса.

В подобных случаях, как мы оцениваем относительную важность каждой формы резонанса?

4.Правило № 1: Нейтральные резонансные структуры более «важны», чем заряженные резонансные структуры

Резонансные формы становятся на менее значимыми по мере увеличения количества зарядов (см. Предыдущий пост).

Например, в приведенном выше кетоне резонансная форма с нулевыми формальными зарядами будет наиболее значительной.

Откуда мы знаем? Мы можем измерить физические свойства молекулы (например, точки кипения, свойства растворителя, проводимость) и посмотреть, соответствует ли она заряженным частицам или нейтральному соединению.

Все физические свойства пропанона (ацетона) согласуются с тем, что он является (в основном) нейтральной молекулой. Например, ацетон имеет точку кипения 56 ° C, что значительно ниже, чем у воды, и точку замерзания –95 ° C. Он не растворяет заряженные частицы (например, NaCl) почти так же хорошо, как вода. И это не очень хороший проводник электричества.

Нельзя сказать, что «вторая лучшая» форма резонанса не играет какой-то роли. Ацетон имеет гораздо более высокую температуру кипения, чем бутан (–1 ° C), который имеет аналогичную молекулярную массу из-за диполь-дипольных сил Ван-дер-Ваальса притяжения, и, как мы увидим позже, «вторая лучшая» форма резонанса может давать важный ключ к разгадке реакционной способности молекулы.

5. Правило № 2: полные октеты предпочтительнее пустых октетов (и никогда не иметь пустых октетов для кислорода или азота!)

Резонансные формы, где все атомы имеют полные октеты, будут более значимыми, чем резонансные формы, где атом ) отсутствует полный октет. Важно отметить, что это хорошее общее правило : никогда не помещать менее полного октета для азота или кислорода , как в примере с ацетоном (вверху справа). Поскольку эти атомы сильно электроотрицательны, эти резонансные формы крайне нестабильны и будут незначительными.

6. Правило № 3: размещайте отрицательные заряды на атоме, который лучше всего может его стабилизировать (т.е. на наименьшем основном атоме)

Учитывая, что в целом предпочтительны нейтральные резонансные структуры, когда резонансная структура обязательно должна нести где-то отрицательный заряд поместите его на атом, который лучше всего стабилизирует этот заряд. Поскольку, по сути, «основность противоположна стабильности», это то же самое, что сказать «положите отрицательный заряд на наименее основной атом».

Хорошая новость заключается в том, что если вы понимаете факторы, влияющие на кислотность, вы также понимаете факторы, которые стабилизируют отрицательный заряд.

Здесь можно рассмотреть четыре основных тенденции:

  • Электроотрицательность : в строке периодической таблицы отрицательный заряд становится более стабильным по мере увеличения электроотрицательности.
  • Поляризуемость: вниз по столбцу таблицы Менделеева, отрицательный заряд становится более стабильным по мере увеличения поляризуемости.
  • Отводящие электроны группы стабилизируют отрицательный заряд за счет индуктивных эффектов.
  • Гибридизация : отрицательный заряд становится более стабильным по мере увеличения s-характера атома.sp (наиболее стабильный)> sp 2 > sp 3 (наименее стабильный

Еще раз обратите внимание, что стабильность противоположна основности .

7. Правило № 4: размещайте любые пустые октеты на атомах Наилучшие возможности для их стабилизации (т.е. углерод, а не кислород или азот)

Как мы уже говорили выше, лучше всего подходят полные октеты. Однако, когда мы имеем дело с резонансной структурой, где обязательно должен быть атом с менее чем полным октетом, выполните следующие действия. эти принципы:

  1. Поместите пустой октет на углерод , никогда не кислород или азот
  2. Поместите пустой октет на наиболее замещенный углерод (помните о стабильности карбокатиона)
  3. Избегайте размещения положительного заряда рядом с отводом электронов группы, если возможно
  4. Поместите положительный заряд преимущественно на алкил карбокатионов в отличие от алкенил или (особенно) алкинил атомов углерода.

8. Применение резонанса: «Пи-донор»

Когда двойные связи связаны с атомом с неподеленной парой электронов, молекула будет иметь значительную резонансную форму, где на соседних участках имеется отрицательный заряд . углерода из-за явления, называемого «пи-донорство». Это становится особенно важным, когда вы начинаете изучать реакции пи-связей.

9. Второе применение резонанса: «Пи-акцепторы»

Когда двойные связи связаны с поляризованной π-связью, молекула будет иметь значительную резонансную форму, где на соседнем углероде есть положительный заряд.Это явление известно как «пи-акцепторное» поведение, и эти группы известны как «пи-акцепторы».

На этом мы остановимся на кратком изложении важных резонансных тем. Следующая остановка (после публикации о некоторых типичных ошибках) – применить эти принципы к химической реактивности.

Следующее сообщение: Распространенные ошибки – Как НЕ рисовать резонансные изогнутые стрелки


Проверь себя по резонансным структурам

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *