Резонанс примеры: что это в физике, формулы, виды, примеры

Содержание

понятное объяснение, примеры, польза и вред

 

Слышали ли вы о том, что отряд солдат, переходя мост, должен перестать маршировать? Солдаты, идущие до этого в ногу, перестают это делать и начинают идти свободным шагом.

Такой приказ отдается командирами вовсе не с целью дать солдатам возможность полюбоваться местными красотами. Это делается для того, чтобы солдаты не разрушили мост. Какая тут связь? Очень простая. Чтобы это понять, надо ознакомиться с явлением резонанса.

Что такое явление резонанса: частота колебаний

Чтобы проще понять, что такое резонанс, вспомните такую нехитрую и приятную забаву, как катание на подвесных качелях. Один человек сидит на них, а второй раскачивает.

И прикладывая совсем небольшие силы, даже ребенок может очень сильно раскачать взрослого. Как он этого добивается? Частота его раскачиваний совпадает с частотой качающегося, возникает резонанс, и амплитуда раскачиваний сильно возрастает. Как-то так. Но обо всем по порядку.

Частота колебаний это количество колебаний за одну секунду. Измеряется она при этом не в разах, а в герцах (1 Гц). То есть, частота колебаний в 50 герц означает, что тело совершает 50 колебаний в секунду. 

В случае вынужденных колебаний всегда есть самоколеблющееся (или в нашем случае качающееся) тело и вынуждающая сила. Так вот эта сторонняя сила действует с определенной частотой на тело.

И если его частота будет сильно отличаться от частоты колебаний самого тела, то сторонняя сила будет слабо помогать телу колебаться или, говоря научно, слабо усиливать его колебания.

Например, если пытаться раскачать человека на качелях, толкая его в момент, когда он летит на вас, вы можете отбить себе руки, скинуть человека, но вряд ли сильно его раскачаете.

А вот если раскачивать его, толкая в направлении движения, то нужно совсем немного усилий, чтобы добиться результата. Вот это и есть совпадение частоты или резонанс колебаний. При этом сильно возрастает их амплитуда.

Примеры резонансных колебаний: польза и вред

Так же и при катании на другом варианте качелей в виде доски на подставке проще и эффективнее отталкиваться ногами от земли, когда ваша сторона качелей уже поднимается, а не когда она опускается.

По этой же причине застрявшую в ямке машину постепенно раскачивают и толкают вперед в моменты, когда она сама двигается вперед. Так значительно повышают ее инерцию, усиливая амплитуду колебаний.

Можно приводить множество подобных примеров, которые говорят о том, что мы на практике очень часто применяем явление резонанса, только делаем мы это интуитивно, не догадываясь, что применяем правила физики.

Выше говорилось о полезности явления резонанса. Однако, резонанс может и вредить. Иногда возникающее увеличение амплитуды колебаний может быть очень вредным. В частности, мы говорили о роте солдат на мосту.

Так вот были несколько случаев в истории, когда под шагами солдат реально разрушались и падали в воду мосты. Последний из них произошел около ста лет назад в Петербурге. В таких случаях частота ударов солдатских сапог совпадала с частотой колебаний моста, и мост рушился.

Именно поэтому, на основе горького опыта, было введено правило для солдат сбрасывать шаг, заходя на мост.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Превращения энергии при колебаниях: затухающие и вынужденные колебания
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspРаспространение колебаний в среде и волны: продольные и поперечные

Резонанс – друг и враг

Резонанс – это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний системы, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к определенным значениям (резонансных частот), обусловленным свойствами системы. Таким образом, причиной резонанса является совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.

Резонанс встречается в механике, электронике, оптике, акустике, астрофизике.

Явление резонанса лежит в основе проектирования музыкальных инструментов: рояля, скрипки, флейты . ..

Используется явление резонанса и в электронике. Колебательный контур, состоящий из емкости и индуктивности, используется в элементах настройки и электрических фильтрах. Однако резонанс может быть и вредным, если он вызывает искажение сигнала или паразитные шумы.

Наблюдается резонанс и в космосе, когда два небесных тела, которые имеют периоды обращения, относящихся друг с другом как небольшие целые числа, делают регулярное гравитационное воздействие друг на друга, которое может стабилизировать их орбиты (орбитальный резонанс в небесной механике).

Однако наиболее часто резонанс бывает в классической и строительной механике, а также гидро- и аэромеханике. И, к ​​сожалению, во многих случаях именно тогда, когда он совершенно нежелателен.

… Известно, что военным подразделениям при прохождении мостов приписывается “сбивать ногу” и идти не строевым, а свободным шагом. Горький опыт некоторых катастроф научил военнослужащих в подобных ситуациях отходить от многовековых традиций.

Так, 12 апреля 1831 разрушился Бротонский подвесной мост через реку Ирвелл в Англии, когда по нему шел военный отряд. Частота шагов воинов, шагавших в ногу, совпала с частотой собственных колебаний моста, через которые амплитуда резко возросла, цепи оборвались, и мост рухнул в реку. Именно этот случай, в результате которого два десятка человек были травмированы, способствовал принятию в британской армии правила “идти не в ногу” при прохождении войсками мостов. По той же причине в 1850 году неподалеку от французского города Анже был разрушен подвесной цепной мост над рекой Мин длиной более ста метров, что привело к многочисленным жертвам. Также существует версия, что 1905 году в результате прохождения кавалерийского эскадрона через резонанс разрушился и Египетский мост через реку Фонтанку в Петербурге. Однако эта версия, скорее всего, безосновательна, поскольку не существует методов дрессировки значительного количества лошадей для их движения “в ногу”.

Причиной разрушения мостов из-за резонанса могут стать не только пешеходы, но и железнодорожные поезда.

Для исключения резонанса моста поезд может двигаться или медленно, или на максимальной скорости (вспомните, как замедляют ход поезда метрополитена во время их движения через мост Метро в Киеве). Это обычно делается для исключения совпадения частоты ударов колес по стыкам рельсов с собственной частотой колебаний моста (по этой же причине участок рельсов на мосту часто выполняют сплошной, т.е. без стыков).

Катастрофические последствия для мостов могут послужить также и от воздействия ветра. Так, 7 ноября 1940 через игнорирование действия ветровой нагрузки на мост при его проектировании и вследствие возникновения резонанса разрушился Такомский подвесной мост общей длиной 1800 м и длиной центрального пролета 850 м (США).

С резонансом можно столкнуться не только на суше, но и на море и в воздухе. Так, при некоторых частотах вращения гребного вала в резонанс входили даже корабли. А на заре развития авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания элементов самолета, что он полностью разрушался в воздухе.

Причиной резонанса элементов летательных аппаратов и их разрушение может стать и флаттер – сочетание самовозбуждающиеся незатухающих изгибающих и крутильных автоколебаний элементов конструкции (главным образом крыла самолета или несущего винта вертолета). Одним из путей борьбы с этим явлением является использование так называемых протифлатерных грузов.

Интересно, что крепления двигателей на пилонах крыльев самолетов – это не прихоть конструкторов и дизайнеров, а насущная необходимость, поскольку двигатели демпфирующие колебания крыла в полете воздушного судна, будучи при этом своеобразным протифлатерним грузом.

Также известны случаи, когда во время выступлений знаменитого русского певца Федора Ивановича Шаляпина часто лопались плафоны в люстрах. И происходило это опять же через резонанс, когда частота собственных колебаний стекла совпадала с частотой акустических волн, воспроизводимых певцом.

Еще более интересным фактом является то, что во время Великой Отечественной войны все тот же резонанс едва не поставил под угрозу существование единой ниточки, проходившей по льду Ладожского озера и связывала блокадный Ленинград с “большой землей”.

… Во время наведения участка Дороги жизни по Ладожскому озеру защитники Ленинграда неожиданно столкнулись с необычным явлением, когда после нормального прохождения по льду тяжелого грузовика, легкая машина, которая шла по тому же пути, нередко проваливалась под лед.

Перед учеными была поставлена ​​задача срочно разобраться с ситуацией, сложившейся и предоставить рекомендации по преодоления автомобилями ледяного покрова. В южной части Ладожского озера, под артиллерийским и минометным огнем врага гидрограф и гидротехники проводили эксперименты по определению предельных нагрузок на лед. Все выводы ученых поступали в Ледовую службу Морской обсерватории. Было изучено деформационную устойчивость льда под статической нагрузкой и данные про упругие деформации льда при распространении по льду взрывной волны. При проведении автоколонн по Ладоге наблюдались и неизвестные ранее колебания ледяного покрова: водяной волна, образовавшаяся под льдом проседала, двигалась с постоянной для определенной толщины льда и глубины водоема скоростью.

Она могла опережать приложенную нагрузку или отставать от нее, но опасным было совпадения этих скоростей – тогда вода прекращала поддержку ледяного покрова, и поддержка обеспечивалась только упругими свойствами льда. При этом наступал резонанс, что приводило к разрушению льда. Это проявление резонанса было названо изгибно-гравитационной волной.

По результатам исследований для автомобилей, которые двигались по льду, были установлены определенные скорости и дистанции. Ежедневно по ледяному покрову в обе стороны перевозилось около 6 тыс. Тонн грузов, а общее количество доставленных в Ленинград по Дороге жизни грузов за весь период ее существования составила более 1 млн 615 тыс. Тонн. Также за это же время с осажденного города было эвакуировано около 1 млн 376 тыс. Его жителей.

С учетом приобретенного опыта позже был разработан резонансный метод разрушения льда, энергоемкость которого в несколько раз меньше энергоемкости традиционного разрушения ледяного покрова с помощью ледоколов и ледокольного навесного оборудования.

Как видим, резонанс может быть достаточно коварным, но укротить его и вернуть на пользу человеку вполне по силам!

суть явления, колебания и частота

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.

 

Виды колебаний

 

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний – это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.

Частота колебаний (измеряется в Герцах) – это количество колебаний в единицу времени. 1 Герц – это одно колебание за одну секунду.

Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.

Толкая качели в определенный момент и с определенной периодичностью можно довольно сильно раскачать их, прилагая совсем немного усилий.Это и будет резонанс: частота наших воздействий совпадает с частотой колебаний качелей и амплитуда колебаний увеличивается.

 

Резонанс на качелях

 

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.

 

Египетский мост в Санкт-Петербурге, разрушившийся из-за резонанса.

 

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.

 

Резонатор гитары

 

Резонанс может быть как полезным, так и приносящим вред явлением. А прочтение статьи, как и помощь нашего студенческого сервиса в трудных учебных ситуациях, принесет вам только пользу. Если в ходе выполнения курсовой вам понадобится разобраться с физикой магнитного резонанса, можете смело обращаться в нашу компанию за быстрой и квалифицированной помощью.

Напоследок предлагаем посмотреть видео на тему «резонанс» и убедиться в том, что наука может быть увлекательной и интересной. Наш сервис поможет с любой работой: от реферата до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.

Слово РЕЗОНАНС – Что такое РЕЗОНАНС?

Слово состоит из 8 букв: первая р, вторая е, третья з, четвёртая о, пятая н, шестая а, седьмая н, последняя с,

Слово резонанс английскими буквами(транслитом) – rezonans

Значения слова резонанс.

Что такое резонанс?

Резонанс

РЕЗОНАНС (франц. resonance, от лат. resono – откликаюсь) – частотно-избирательный отклик колебат. системы на периодич. внеш. воздействие, при к-ром происходит резкое возрастание амплитуды стационарных колебаний.

Физическая энциклопедия. – 1988

РЕЗОНАНС (франц. resonance, от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь), относительно большой селективный (избирательный) отклик колебательной системы (осциллятора) на периодич. воздействие с частотой, близкой к частоте её собств. колебаний.

Физическая энциклопедия. – 1988

Резонанс (франц. resonance, от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь), явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо колебательной системе…

БСЭ. — 1969—1978

Резонансы

Резонанс — элементарная частица, представляющая собой возбуждённое состояние адрона. Большинство известных частиц являются резонансами.

ru.wikipedia.org

Резонансы, резонансные частицы, короткоживущие возбуждённые состояния сильно взаимодействующих элементарных частиц (адронов). В отличие от др. нестабильных частиц, Р. распадаются в основном за счёт сильных взаимодействий.

БСЭ. — 1969—1978

РЕЗОНАНСЫ (резонансные частицы) – короткоживу-щие возбуждённые состояния адронов. В отличие от др. нестабильных частиц, Р. распадаются в осн. за счёт сильного взаимодействия.

Физическая энциклопедия. – 1988

Резонанс токов

Резонанс токов — резонанс, происходящий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

ru.wikipedia.org

РЕЗОНАНС ТОКОВ — параллельный резонанс, – резонанс в электрич. цепи из катушки индуктивности и конденсатора, соединённых параллельно относительно источника перем. тока.

Большой энциклопедический политехнический словарь

Резонанс Шумана

Резона́нсом Шу́мана называется явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой. Земля и её ионосфера — это гигантский сферический резонатор…

ru.wikipedia.org

ШУМАНОВСКИЕ РЕЗОНАНСЫ (резонансы в полости Земля – ионосфера)-резонансное усиление эл.-магн. атм. шумов в сферич. полости между Землёй и ионосферой. Теоретически предсказаны в 1952 В. Шуманом (W. Schumann) и экспериментально обнаружены в 1960 M.

Физическая энциклопедия. – 1988

Резонанса теория

РЕЗОНАНСА ТЕОРИЯ, теория электронного строения хим. соединений, в основе к-рой лежит представление о том, что электронное распределение, геометрия и все др. физ. и хим. св-ва молекул должны быть описаны не одной возможной структурной ф-лой…

Химическая энциклопедия

Резонанса теория (в химии), концепция, дополняющая постулаты классической теории химического строения и утверждающая, что если для данного соединения классическая теория (см. Химического строения теория)…

БСЭ. — 1969—1978

РЕЗОНАНСА ТЕОРИЯ — теория электронного строения хим. соединений, в основе к-рой лежит представление о том, что электронное распределение, геометрия и все др. физ. и хим. св-ва молекул должны быть описаны не одной возможной структурной ф-лой…

Химическая энциклопедия. – 1988

Магнитный резонанс

Магнитный резонанс, избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определённой длины волны, обусловленное изменением ориентации магнитных моментов электронов или атомных ядер.

БСЭ. — 1969—1978

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС, резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения некоторыми атомными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле.

Энциклопедия Кругосвет

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС – избират. поглощение веществом эл.-магн. волн определённой частоты w, обусловленное изменением ориентации магн. моментов частиц вещества (электронов, ат. ядер).

Физическая энциклопедия. – 1988

Циклотронный резонанс

ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС, явление резонансного поглощения энергии переменного электрич. поля заряженной частицей, находящейся в магн. поле. Заряженная частица, помещенная в магн. поле напряженности Н и имеющая отличный от нуля импульс в плоскости…

Химическая энциклопедия

ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС – резонансное поглощение эл.-магн. энергии электронными проводниками (полупроводниками, металлами), помещёнными в пост. магн. поле, на частотах, равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда (электронов и дырок).

Физическая энциклопедия. – 1988

Циклотронный резонанс (ЦР) — явление поглощения или отражения электромагнитных волн проводниками, помещёнными в постоянное магнитное поле, на частотах равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда.

ru.wikipedia.org

Ферромагнитный резонанс

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС – резонансное поглощение эл.-магн. энергии ферромагнетиком, один из видов электронного магнитного резонанса в твёрдом теле. От электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) Ф. р. отличается тем…

Физическая энциклопедия. – 1988

Ферромагнитный резонанс, одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах…

БСЭ. — 1969—1978

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС — разновидность электронного магнитного резонанса в ферромагнетиках и ферримагнетиках; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии эл.-магн. поля при определ. (резонансных) значениях частоты w0 и внеш. магн…

Физическая энциклопедия. – 1988

Ядерный магнитный резонанс

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), избирательное поглощение эл.-магн. энергии в-вом, обусловленное ядерным парамагнетизмом. ЯМР — один из методов радиоспектроскопии, наблюдается…

Физическая энциклопедия. – 1988

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР)-резонансное поглощение эл.-магн. энергии в веществах, обусловленное ядерным парамагнетизмом; частный случай магнитного резонанса.

Физическая энциклопедия. – 1988

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле.

Медицинская эциклопедия

Электронный парамагнитный резонанс

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), резонансное поглощение электромагнитной энергии в сантиметровом или миллиметровом диапазоне длин волн веществами, содержащими парамагнитные частицы.

БСЭ. — 1969—1978

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР) – резонансное поглощение (излучение) эл.-магн. волн радиочастотного диапазона (10 9-10 12 Гц) парамагнетиками, парамагнетизм к-рых обусловлен электронами.

Физическая энциклопедия. – 1988

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР, электронный спиновый резонанс), явление резонансного поглощения электромагн. излучения парамагн. частицами, помещенными в постоянное магн. поле; один из методов радиоспектроскопии.

Химическая энциклопедия

Русский язык

Га́мма-резона́нс, -а.

Орфографический словарь. — 2004

Примеры употребления слова резонанс

То, что обсуждение будет бурным и возымеет огромный резонанс, не стало неожиданностью.

Напомним, решение о мастэктомии Джоли вызвало серьезный общественный резонанс.

Инцидент, вызвавший широкий общественный резонанс, произошел 10 мая в российской столице.

Это я трезво оцениваю комментарии СМИ, комментарии искусствоведов. Резонанс очень высок.

Предложение Минтруда по увеличению “декретного” стажа вызвало большой общественный резонанс.

Видеоролик с выступлением был выложен в интернет и вызвал большой общественный резонанс.

Речь идет о скандальных группах о “детской моде”, вызвавших большой общественный резонанс.


  1. резолюция
  2. резол
  3. резонансный
  4. резонанс
  5. резонаторный
  6. резонаторщик
  7. резонатор

Явление резонанса в природе и технике

В индивидуальной исследовательской работе по физике на тему «Явление резонанса в природе и технике» автор изучает литературу, связанную с темой резонанса, углубляет и расширяет знания по теме, определяет значение резонанса в разных отрослях.

Подробнее о работе:


В рамках исследовательского проекта по физике о явлении резонанса в природе и технике дается справочная информация о резонансе, выясняется взаимосвязь резонанса и колебаний, описываются виды колебаний и условия для возникновения резонанса, изучается характер проявления резонанса, поясняется, в чем заключается польза и вред резонанса в природе и технике.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Явление резонанса в природе и технике» учащийся провел эксперимент с обычным маятником и установил принцип действия резонанса в созданных условиях. Ученический проект также содержит описание наглядных примеров того, как проявляется резонанс и каким образом это явление применяется в различных отрослях.

Оглавление

Введение
1. Виды колебаний.
2. Вред и польза резонанса.
3. Примеры резонанса и применения.
4. Опыт.
Заключение
Литература

Введение


Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можем ли мы точно сказать, что такое резонанс? Для этого я и провел исследовательскую работу, чтобы точно знать, что такое резонанс.

Прежде чем начать разговор о резонансе, нужно разобраться, что такое колебания и их частота.

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 систему с собственной частотой системы.

Актуальность: Резонанс имеет большое влияние в различных отрослях.

Цель работы: Углубление и расширение знаний по теме «Резонанс в природе и технике».

Задачи работы:

  1. Изучение литературы связанной с резонансом
  2. Провести исследование
  3. Сделать вывод по проделанной работе

Предмет исследования: Резонанс.

Объект исследования: Резонанс в природе и технике.

Методы исследования: Теоретический и эксперементальный.

Виды колебаний


Свободные – колебания, происходящие под воздействием одной возвращающей силы (первоначально сообщенной энергии).

Вынужденные – колебания, происходящие под воздействием внешней периодически меняющейся силы (вынуждающей силы).

Автоколебания- колебания, происходящие при периодическом поступлении энергии от источника внутри колебательной системы.

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.

Таким образом суть явления резонанса в физике состоит в том, что амплитуда колебаний резко возрастает при совпадении частоты воздействия.

Вред и польза резонанса

Использование:

  • Растворение порошкового молока в воде.
  • Резонаторы в музыкальных инструментах.
  • Магнитно-резонансное обследование организма.
  • Раскачивание качелей.
  • Раскачивание языка колокола.
  • Резонансные замки и ключи.

Вред:

  • Разрушение сооружений.
  • Обрыв проводов.
  • Расплескивание воды из ведра.
  • Раскачивание вагона на стыках рельсов.
  • Вибрации в трубопроводах.
  • Раскачивание груза на подъёмном кране.

К примеру, польза резонаторов в музыкальных инструментах.

Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т.е. заставить их звучать. Такой резонанс называют акустическим.

Например, устройство для получения чистого тона, т.е. звука одной частоты, камертон сам по себе дает очень слабый звук, потому что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающейся с воздухом, мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха.

Поэтому камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу стенки ящика тоже начинают колебаться с частотой камертона, поэтому звук оказывается значительно более громким.

Резонанс – один из важнейших физических процессов, используемых при проектировании звуковых устройств, большинство из которых содержат резонаторы, например, струны и корпус скрипки, трубка у флейты, корпус у барабанов. Благодаря резонансу звучность музыкальных инструментов усиливается, и обогащается их тембровая окраска.

Возьмём гитару. Само по себе звучание струн гитары будет тихим и почти неслышным. Однако струны неспроста устанавливают над корпусом – резонатором. Попав внутрь корпуса, звук от колебаний струны усиливается, а тот, кто держит гитару, может почувствовать, как она начинает слегка «трястись», вибрировать от ударов по струнам. Иными словами, резонировать.

Великий композитор Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было здоровым. Если взять в зубы тикающие наручные часы и заткнуть себе уши, то тиканье превратится в сильные, тяжелые удары — настолько оно усилится.

Удивительные факты — почти глухие люди разговаривают по телефону, прижимая трубку к височной кости. Глухие часто танцуют под музыку, ведь звук проникает в их внутреннее ухо через пол и кости скелета. Вот какими удивительными путями доходят звуки до слухового нерва человека, но «музыкальный слух» при этом остается.

Примеры резонанса и применения


Применение явления электрического резонанса в технике.

Если частота ω внешней силы приближается к собственной частоте ω0, возникает резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Это явление называется резонансом. Зависимость амплитуды xm вынужденных колебаний от частоты ω вынуждающей силы называется резонансной характеристикой или резонансной кривой.

При резонансе амплитуда xm колебания груза может во много раз превосходить амплитуду ym колебаний свободного (левого) конца пружины, вызванного внешним воздействием. В отсутствие трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна неограниченно возрастать.

В реальных условиях амплитуда установившихся вынужденных колебаний определяется условием: работа внешней силы в течение периода колебаний должна равняться потерям механической энергии за то же время из-за трения. Чем меньше трение (т. е. чем выше добротность Q колебательной системы), тем больше амплитуда вынужденных колебаний при резонансе.

У колебательных систем с не очень высокой добротностью

Явление резонанса может явиться причиной разрушения мостов, зданий и других сооружений, если собственные частоты их колебаний совпадут с частотой периодически действующей силы, возникшей, например, из-за вращения несбалансированного мотора.

Электрический резонанс

Явление возрастания амплитуды колебаний тока при совпадении частоты внешнего источника с собственной частотой электрической цепи называется электрическим резонансом.

Явление электрического резонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию, изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно добиться того, что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этого в контуре возникнут резонансные малы. Это приводит к настройке радиоприёмника на нужную станцию.

Еще одной из особенностей электрического резонанса является возможность использование его в двигателях с активными постоянными магнитами. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т.е. питается переменным током, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью.

Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока через электромагниты будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери. По всей видимости, данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель в этом случае будет называться магнитно- резонансный шаговый.

Механика

Наиболее известная большинству людей механическая резонансная система — это обычные качели. Если вы будете подталкивать качели в соответствии с их резонансной частотой, размах движения будет увеличиваться, в противном случае движения будут затухать.

Резонансные явления могут вызвать необратимые разрушения в различных механических системах. В основе работы механических резонаторов лежит преобразование потенциальной энергии в кинетическую.

Струна


Струны таких инструментов, как лютня, гитара, скрипка или пианино, имеют основную резонансную частоту, напрямую зависящую от длины, массы и силы натяжения струны. Увеличение натяжения струны и уменьшение её массы (толщины) и длины увеличивает её резонансную частоту. Однако частоты, не гармонические колебания, которые и воспринимаются как музыкальные ноты.

Электроника

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

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

Общественный резонанс

Общественный резонанс — это реакция множества людей (возмущение, волнение, отклики и т.д.) на определенные действия (информация, поведение, высказывание и т.п.) кого-либо или чего-либо. Общественный резонанс может быть вызван искусственно путем привлечения средствами массовой информации общественного внимания к тому или иному социальному или политическому событию.

Кроме того, общественный резонанс используется теми или иными группами для давления на судебные органы, исполнительную и законодательную власть, правительство, общественные организации и политические партии.

Опыт

Проведем опыт на примере обычного маятника.

Подвесим грузик на нити и зададим ему движение путем отодвинув на небольшое расстояние от нулевой точки (точки покоя тела). После чего, тело (грузик) будет колебаться из стороны в сторону, демонстрируя нам обычный механический резонанс.

В таком положение грузик будет всегда двигаться с одной и той же частотой в независимости от того какую кинетическую силу мы ему зададим, его частота может измениться только при изменение веса грузика или же длины нити. К примеру, если этот грузик поднять повыше на нить, то частота его колебаний увеличиться, а если мы его опустим ниже то частота будет уменьшаться.

Сделаем вывод из проведенного опыта. Вывод таков, что резонанс присутствует всегда и везде и всегда имеет свою определенную частоту

Заключение

Мой вывод из проделанной работы таков, что резонанс неотъемлемая часть нашей жизни и присутствует везде, как в электричестве, оптике, механике и тому подобное. Резонанс иногда бывает полезен как в музыке, или вреден как допустим при подъеме грузов (раскачивание груза).

Список литературы

  1. М. Прикладные методы в теории колебаний. – М.: Наука, 1988.Универсальный справочник, С.Ю. Курганов, Н.А. Гырдымова – М.:Эксмо, 2011.
  2. Интернет-ресурсы.

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

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]


Резонанс — что это такое простыми словами

Обновлено 19 января 2021
  1. Резонанс — это…
  2. Добротность
  3. Виды и примеры резонанса
  4. Его опасность и польза

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Еще в школе на уроке физики мы изучали, что такое резонанс. Но, к сожалению, не всегда эти знания подавались в форме способствующей усвоению.

Поэтому сегодня я хочу очень коротко напомнить вам что есть такое резонанс, как он возникает и какие виды резонанса (и не только в области физики) различают.

Ну и, конечно же, все это будет рассказано максимально простыми словам на понятных всем примерах. Будет интересно, не переключайтесь…

Резонанс — это…

Впервые понятие резонанса было введено в 16 веке Галилио Галеем, когда он занимался исследованием работы маятников и музыкальных струн.

В переводе с латинского слово «резонанс» буквально означает «откликаюсь» и представляет собой физическое явление, при котором собственные колебательные движения становятся вынужденными, увеличивают свою амплитуду, отвечая, таким образом, на воздействия окружающей среды.

Простыми словами резонанс – это отклик на некий раздражитель извне. Это синхронизация частот колебаний (количество колебаний в одну секунду) некой системы и воздействующей на нее внешней силы, что влечет за собой рост амплитуды колебаний данной системы.

Резонанс можно описать следующим образом:

  1. представьте некое физическое тело, которое находится либо в состоянии абсолютного покоя, либо совершает амплитудные движения определенной частоты;
  2. на это тело вдруг начинает оказывать воздействие некая внешняя сила, имеющая собственную амплитуду и частоту;
  3. если частоты тела и внешней силы совпадают, то амплитуда тела станет расти.

Например, всем известно, как «работают» качели. Сначала вы делаете резкий толчок ногами от земли, и качели начинают двигаться вперед-назад. Если не вмешиваться в этот процесс, то через некоторое время они остановятся.

Но если, сидя на них, подстроиться под их движение всем телом (не быстрее и не медленнее), то амплитуда движений качелей начнет расти сама по себе. В данном случае вы, а точнее ваши движения, являются внешним воздействием, вынуждающей силой, с помощью которой качели взлетают выше.

Даже самое небольшое внешнее воздействие способно увеличить амплитуду движений некой системы в очень много раз при совпадении их частот. Из примера с качелями: маленький ребенок может раскачать взрослого даже с очень большим весом, если подстроится под движение качелей.

Чтобы лучше понять, что такое резонанс, обратимся к его антониму. Им является слово «диссонанс» (от латинского «разногласящий»), что означает несовпадение, несоответствие.

Снова возьмем в пример качели: если начать резко и хаотично их дергать туда-сюда, то плавные, раскачивающие колебания вскоре сойдут на нет и качели остановятся. Еще один простой пример: если летом вы выйдете на улицу в шубе, это будет диссонанс, так как погода не соответствует вашему наряду.

Добротность

В любой физической колебательной системе можно измерить степень ее отзывчивости – величину, которая называется добротностью и представляет собой уровень интенсивности отклика.

Разные показатели этой величины приводят к различным последствиям:

  1. При низкой степени добротности (или отклика) существующая система неспособна сохранять вынужденные колебания долгое время и постепенно возвратится к собственным колебаниям;
  2. Высокая добротность в некоторых случаях может быть опасной, так как напряженный резонанс обязательно приведет к разрушению физического тела, на которое производится воздействие извне.

    Например, если не просто стоять на середине доски, перекинутой через широкую реку, а совершать раскачивающие ее движения (вверх-вниз), то, скорее всего, вскоре вы окажитесь в воде, так как доска сломается в той точке, где вы находились.

Виды и примеры резонанса

Феномен резонанса по праву принадлежит физике,так как был открыт ею и изначально описывал только физические явления.

Однако, на сегодняшний день этим понятием пользуются в самых разных сферах жизнедеятельности.

В связи с этим можно выделить его разные виды:

  1. Механический – выше упомянутые качели, раскачивание колокольного «языка», резонанс моста от проезжающего поезда или солдат, идущих по нему «в ногу» и т.п.
  2. Акустический – примером может послужить звуковой резонанс, используемый в игре на музыкальных инструментах, таких как: гитара, балалайка, лютня.У всех них есть корпус и придуман он не просто так: звук, который издает струна, когда ее щипают, попадает внутрь корпуса. Там он резонирует со стенками, что приводит к его усилению. Поэтому качество звука напрямую зависит от качества материала, из которого сделан инструмент и даже от лака, которым он был покрыт.
  3. Электрический – совпадение частоты внешнего напряжения с частотой собственных колебаний электрической цепи, по которой течет ток.
  4. Общественный – яркий отклик общественности на событие, явление или ситуацию. Речь идет о реакции, которая оказалась схожей у основной массы людей. Например, пенсионная реформа 2018 года вызвала громкий, резкий, негативный резонанс у граждан нашей страны.
  5. Когнитивный резонанс – совпадение во взглядах, мнениях. Например, вы с кем-то познакомились: в итоге у вас остается положительное впечатление о человеке. Почему именно так?

    Все дело в том, в процессе беседы вы нашли с ним много общего, его ценности и суждения оказались вам близки, отсюда и симпатия, являющаяся следствием резонанса. С философской точки зрения, феномен определяется, как единомыслие двух душ в чувственном контексте.

Мобильные телефоны, микроволновая печь, телевизор, эхо в горах, звучное пение в ванной комнате – везде присутствует рассматриваемый феномен.

Опасность и польза резонанса

На первый взгляд, резонанс – это полезное явление, которое помогает нам в разных аспектах жизни. Например, оно успешно используется в случае, когда автомобиль завяз колесами в грязи или снегу и не может тронуться с места. Раскачка авто взад-вперед помогает вызволить машину из плена.

Однако, у этого физического феномена есть и негативная сторона. В среде архитекторов существует понятие «Такомский мост»: так называют объекты, выполненные с многочисленными нарушениями строительных расчетов. Дело в том, что в 40-х годах 19 века в одном из штатов США случилось обрушение висячего моста.

Как выяснилось позже, причиной послужил резонанс: ветер усилил собственные колебания конструкции, что и привело к трагедии. После этого случая технологии мостостроения претерпели большие изменения.

Еще один печальный случай с мостом, который обрушился в момент, когда по нему шла рота военных. Солдаты, маршируя в ногу, создали колебания, которые вошли в резонанс с собственными колебаниями конструкции. С тех пор появилась новая команда «Не в ногу!», используемая командирами при прохождении через мост.

Феномен резонанса также необходимо учитывать при возведении высотных зданий, антенн, высоких опор – всего, что может войти в резонанс с воздушным потоком.

Автор статьи: Коваленко Лилия Сергеевна (психолог)

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

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 качели серию регулярных толчков, его движение можно построить.Человек, который толкает тетиву, должен синхронизировать время взмаха. Толкатель должен синхронизироваться с временем качания. Это приводит к увеличению амплитуды качания, чтобы достичь большего. Как только 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 структур 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 также возникает 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, поэтому ток на этой частоте намного больше, чем на любой другой частоте. 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 свою 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 совершает более сильные колебания.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? Привести пример.
  2. Что подразумевается под управляемым, затухающим гармоническим движением? Привести 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? Привести 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, чтобы колебания стали сильнее?
  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 разных груза, почему у них три разные резонансные частоты?
  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 равен \ (3.0 \) секундам, вы можете толкнуть 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. Будет ли более высокая добротность полезна 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.)?
Резонанс

: определение, типы, частота и примеры

Обновлено 5 декабря 2019 г.

Ли Джонсон

Всем известен старый образ, когда мощный оперный певец бьет нужную ноту, а хрустальное стекло разбивается от шума, но так ли это? действительно возможно? Ситуация может показаться надуманной, как что-то, что вы с большей вероятностью увидите в фильмах или мультфильмах, чем в реальной жизни.

Фактически, явление резонанса означает, что это технически возможно в реальной жизни, независимо от того, создается ли резонансная частота (та, которая соответствует собственной частоте стекла) чьим-то голосом или одним или несколькими музыкальными инструментами.

Изучение резонанса дает вам понимание того, как работает звук, принципов, лежащих в основе многих музыкальных инструментов, и того, как увеличить или уменьшить движение в механической системе, такой как качели или веревочный мост.

Определение резонанса

Слово резонанс первоначально происходит от латинского резонанс , что означает «эхо», и тесно связано с резонансом, что означает возвращать эхо или «звук снова». Эти два определения уже относятся к звуковым волнам и дают вам общее представление о значении этого слова в физике.

Однако, более конкретно, определение резонанса в физике – это когда частота внешнего колебания или вибрации совпадает с собственной частотой объекта (или полости) и в результате либо заставляет его вибрировать, либо увеличивает амплитуду колебаний. .

В механических системах под резонансом понимается усиление, усиление или продление звука или других вибраций. Как и в приведенном выше определении, это требует приложения внешней периодической силы с частотой, равной собственной частоте движения объекта, которую иногда называют резонансной частотой.

Все объекты имеют собственную частоту или резонансную частоту, которую вы можете представить как частоту, на которой объект «любит» вибрировать. Например, если вы постучите ногтем по хрустальному стеклу, он начнет вибрировать на своей резонансной частоте и будет издавать «звон» с соответствующей высотой звука. Частота вибрации зависит от физических свойств объекта, и вы можете довольно хорошо предсказать это для некоторых вещей, таких как натянутая струна.

Примеры резонанса – Звуковой резонанс

Изучение некоторых примеров резонанса поможет вам понять различные формы резонанса, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни.Самый распространенный и простой пример – звуковые волны, потому что, когда вы вибрируете голосовые связки на нужной частоте (для полости горла и рта), вы можете воспроизводить тоны речи и музыкальные тона, которые могут слышать другие люди.

Вибрация ваших голосовых связок создает звуковые волны, которые на самом деле представляют собой волны давления в воздухе, состоящие из чередующихся сжатых участков (с плотностью выше средней) и разрежений (с плотностью ниже средней).

Большинство музыкальных инструментов работают одинаково.Например, в медном инструменте вибрация губ игрока относительно мундштука создает начальную вибрацию, и когда она совпадает с резонансной частотой (или кратной ей) для размера трубы, в которую он или она дует, возникает резонанса, и амплитуда колебаний заметно увеличивается и дает слышимый тон.

В деревянных духовых инструментах есть «трость», которая вибрирует, когда над ней проходит воздух, и снова тот же самый процесс резонанса и усиления превращает эту небольшую вибрацию в слышимый музыкальный тон.Струнные инструменты, такие как гитара, немного отличаются, но струны имеют резонансную частоту вибрации, а производимые звуковые волны резонируют в полости (например, в пространстве в корпусе акустической гитары), делая шум громче.

Более простой пример: вы уронили инструмент или тарелку на землю. Звук возникает из-за того, что инструмент или пластина вибрируют на своей резонансной частоте. Этот более простой способ генерации звука используется тщательно разработанными камертонами, которые сконструированы таким образом, чтобы воспроизводить определенную высоту звука в качестве собственной частоты, на которую музыканты могут затем настраивать свои инструменты.

Примеры резонанса – Механический резонанс

Хотя резонанс обычно используется для обозначения звуковых волн, механический резонанс в некотором смысле легче понять. Простой пример – ребенок впервые учится качать качели. Колебательное движение качелей имеет собственную частоту, и когда ребенок учится толкать (то есть прикладывать периодическую силу) с собственной частотой качелей, его толчки становятся намного более эффективными. В результате этого амплитуда колебаний качелей увеличивается, и человек, сидящий на них, с каждым разом становится все выше.

Однако попадание в собственную частоту объекта не всегда хорошо. Например, солдаты, идущие по веревочному мосту в унисон, могут заставить его выйти из-под контроля и, возможно, даже упасть, если они наступят на его собственную частоту. В подобных случаях генерал может попросить их «сломать ступеньку», чтобы они не применяли периодическую силу с собственной частотой моста.

Даже более стабильные конструкции мостов имеют резонансные частоты, но это вызывает проблемы только в редких случаях (например, с Бротонским подвесным мостом, мостом в Англии, который рухнул в 1831 году, предположительно из-за солдат, шагающих по мосту).

Аналоговые часы также зависят от механического резонанса и собственной частоты компонента, чтобы отследить время. Например, маятниковые часы используют собственную частоту колебаний маятника, чтобы отсчитывать время, а балансовое колесо работает по тому же основному принципу. Даже часы на кварцевом кристалле зависят от резонансной частоты, но в этом случае кристалл регулирует колебания от электронного генератора, что приводит к значительному повышению точности по сравнению с более простыми конструкциями.

Другие примеры резонанса

Есть много других форм резонанса, и все они работают по одному и тому же основному принципу.Два других примера резонанса, с которыми вы знакомы, связаны с электромагнитными колебаниями, а не с механическими. Во-первых, ваша микроволновая печь.

Волны, создаваемые микроволновой печью, выделяют тепло в вашей пище, потому что их частота соответствует резонансной частоте молекул внутри продукта (например, молекул воды и жира), что заставляет их колебаться и впоследствии выделять энергию в виде тепла.

Другой пример – антенна для вашего телевизора или даже радиоантенна.Эти устройства предназначены для максимального поглощения электромагнитного излучения, и когда вы «настраиваете» антенну на определенную частоту, вы регулируете резонансную частоту устройства. Когда частота антенны совпадает с частотой входящего сигнала, она резонирует, и ваш телевизор или радио «улавливает» сигнал.

Так как же ломается кристалл?

Теперь, когда вы понимаете ключевые моменты определения резонанса и того, что такое резонансная частота, вы можете понять классический пример певца, которому удалось разбить хрустальное стекло, напевая с правильной тональностью.Стекло имеет резонансную частоту, и если певец издает звук с совпадающей частотой, стакан начинает вибрировать. Это называется симпатической вибрацией , потому что до того, как певец издал звук, стекло было совершенно неподвижным.

Сначала в стекле может быть небольшая вибрация, но для того, чтобы заставить его разбиться, требуется длительная и громкая нота на нужной частоте. Если певец может это сделать, амплитуда колебаний стекла увеличивается и в конечном итоге начинает нарушать структурную целостность стекла.Только в этот момент – когда нота выдерживается достаточно долго, чтобы вибрация стекла достигла максимальной амплитуды, которую оно может выдерживать, – стекло действительно разбивается.

Примеры резонанса в повседневной жизни

Резонанс возникает, когда частота приложенной силы равна одной из собственных частот колебаний вынужденного или ведомого гармонического осциллятора. Свинг, гитара, маятник, мост и музыкальная система – вот несколько примеров резонанса в повседневной жизни.

Связанное с движением управляемого гармонического осциллятора возникает очень поразительное явление, известное как резонанс. Он возрастает, если внешняя движущая сила является периодической с периодом, сопоставимым с собственным периодом осциллятора.

В резонансной ситуации движущая сила может быть слабой, амплитуда движения может стать чрезвычайно большой. В случае колеблющегося простого маятника, если мы дуем, чтобы толкнуть маятник всякий раз, когда он оказывается перед нашим ртом, обнаруживается, что амплитуда постоянно увеличивается.

Для демонстрации этого резонансного эффекта был разработан прибор. Горизонтальный стержень AB поддерживается двумя струнами S 1 и S 2 . К этому стержню подвешены три пары маятников aa ’, bb’ и cc ’. Длина каждой пары одинакова, но у разных пар разная. Если один из этих маятников, скажем, с1, смещается в направлении, перпендикулярном плоскости бумаги, то его результирующее колебательное движение вызывает в стержне АВ очень слабое возмущающее движение, период которого совпадает с периодом с ’.Из-за этого небольшого движения стержня каждый из оставшихся маятников (aa ’, bb’ и cc ’) испытывает небольшое периодическое движение. Это заставляет маятник c ’, длина и, следовательно, период которого точно такие же, как у c, колебаться назад и вперед с постоянно увеличивающейся амплитудой. Однако амплитуды других маятников остаются небольшими на протяжении последующего движения c и c ’, потому что их естественные периоды не совпадают с периодом возмущающей силы, создаваемой стержнем AB.

Энергия колебаний исходит от движущего источника.При резонансе передача энергии максимальна.

Примеры резонанса в физике

Мы сталкиваемся с множеством примеров резонанса в повседневной жизни.

  • Качели – хороший пример механического резонанса. Это похоже на маятник с единственной собственной частотой, зависящей от его длины. Если дать качелям серию регулярных толчков, их движение может быть значительно увеличено. Если толкать нерегулярно, качели почти не будут вибрировать.
  • Колонне солдат, идя по мосту большой пролет, советуют прервать свои шаги.Их ритмичный марш мог вызвать колебания опасно большой амплитуды в конструкции моста.
  • Включение радио – лучший пример электрического резонанса. Когда мы поворачиваем ручку радио, чтобы настроить станцию, мы изменяем собственную частоту электрической цепи приемника, чтобы сделать ее равной частоте передачи радиостанции. Когда две частоты совпадают, поглощение энергии максимально, и это единственная станция, которую мы слышим.
  • Еще один хороший пример резонанса – равномерное и эффективное нагревание и приготовление пищи в микроволновой печи.Волны, создаваемые в этом типе печи, имеют длину волны 12 см на частоте 3450 МГц. На этой частоте волны поглощаются до резонанса едоком и молекулами жира в пище, нагревая их и, таким образом, готовя пищу.

Давайте посмотрим видео сейчас:

Затухающие колебания

Это обычное наблюдение, что амплитуда колебаний простого маятника постепенно уменьшается со временем, пока не станет равной нулю.Такие колебания, амплитуда которых неуклонно уменьшается со временем, называются затухающими колебаниями.

Из повседневного опыта мы знаем, что движение любой микроскопической системы сопровождается эффектами трения. При описании движения простого маятника этот эффект полностью игнорировался. По мере того, как качающаяся часть маятника движется взад и вперед, в дополнение к весу карабина и натяжению струны, боб испытывает вязкое сопротивление из-за своего движения по воздуху.Таким образом, простое гармоническое движение – это идеализация. На практике амплитуда этого движения постепенно становится все меньше и меньше из-за трения и сопротивления воздуха, поскольку энергия осциллятора основана на выполнении работы против сил сопротивления. Амплитуда затухающей простой гармонической волны изменяется со временем по сравнению с идеальной незатухающей гармонической волной. Таким образом, мы видим, что:

Демпфирование – это процесс, при котором энергия отводится от колебательной системы.

Приложение затухающих колебаний – это амортизатор автомобиля, который обеспечивает демпфирующую силу для предотвращения чрезмерных колебаний.

См. Также: Разница между свободными и вынужденными колебаниями

Резкость резонанса

Мы видели, что в резонансе амплитуда осциллятора становится очень большой. Если амплитуда быстро уменьшается на частоте, немного отличающейся от резонансной частоты, резонанс будет резким. И амплитуда, и резкость зависят от демпфирования. Чем меньше затухание, тем больше будет амплитуда и резче будет резонанс.

Система с сильным демпфированием в виде довольно плоской резонансной кривой, посеянной в амплитудно-частотной области.

Эффект демпфирования можно наблюдать, прикрепив маятник, имеющий легкую массу, такой как пробковый шар, в качестве боба и другой такой же длины, несущий тяжелую массу, например, свинцовый боб, равный по размеру стержню. Они приводятся в колебания третьим маятником равной длины, прикрепленным к тому же стержню. Замечено, что амплитуда свинцового боба намного больше, чем у пробкового шара. Эффект демпфирования пробкового шара из-за сопротивления воздуха намного больше, чем для головного боба.

Резонанс в физике с анимацией

Просмотр:

8 • Мир сквозь звук: Resonance

Добро пожаловать в очередной выпуск журнала «Мир сквозь звук ». В прошлый раз мы говорили об акустическом импедансе и о том, что рупоры на самом деле являются своего рода трансформатором и работают аналогично тому, как рычаг облегчает перемещение большой массы. В этой статье мы поговорим о резонансе, о том, как резонансные системы находятся вокруг нас, и о добротности – числе, которое показывает, насколько силен на самом деле резонанс.

Резонанс – одна из немногих концепций акустики, которая вошла в общественное сознание, и вокруг нее возникла определенная мифология. Резонанс позволяет звуку творить удивительные вещи, например разбивать бокал, а вибрационный резонанс часто (ошибочно) обвиняют в драматическом обрушении моста Tacoma Narrows Bridge в 1940 году, вызванном только сильным ветром. Некоторые экстраполировали подобные события и пришли к выводу, что все имеет резонансную частоту, и для того, чтобы разрушить ее, нужно лишь подвергнуть ее воздействию звука этой частоты.Некоторые супергерои с мощным звуком даже включают это в свой арсенал.

Резонанс заработал репутацию разрушительной силы, способной разрушить практически все.

Чтобы понять это немного глубже, мы должны сначала узнать, что такое резонанс. Резонанс возникает, когда система предпочтительно вибрирует на определенной частоте. Эта частота называется «резонансной частотой», и система будет очень сильно реагировать на любую периодическую силу на этой частоте. Точные частоты, на которых объекты резонируют, во многом определяются физическими свойствами объекта: его размером, формой и материалами, из которых он сделан.Например, разная толщина и длина струн в фортепиано являются причиной того, что каждая нота звучит по-разному (см. Весенний выпуск журнала Acoustics Today за 2016 год, где вы найдете увлекательную статью о том, как работают пианино и используют разные резонансные частоты).

Резонанс также возникает в неакустических системах. Электрические системы могут иметь резонанс, аналогичный тем, которые используются в схемах синхронизации, оптические резонансы позволяют создавать лазеры, атомы и молекулы имеют ядерный магнитный резонанс, который используется в сканерах магнитно-резонансной томографии (МРТ).Резонанс – это не только акустика, но и универсальное явление.

По своей сути, резонанс возникает из-за того, что энергия накапливается в системе в нескольких формах и перемещается между ними взад-вперед. Классический пример – детские качели. На вершине качания энергия сохраняется как гравитационная потенциальная энергия, по мере того, как качание опускается, энергия передается в кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия перенаправляется вверх и снова сохраняется как потенциальная энергия. Время, необходимое для этого процесса, является основой резонансной частоты системы (которая представляет собой количество колебаний в единицу времени).

Классическим акустическим резонатором является резонатор Гельмгольца. Пустая бутылка – знакомый пример этого резонатора, который работает почти так же, как качели. Резонатор Гельмгольца состоит из двух частей: шейки и объема, между которыми перемещается акустическая энергия. Энергия накапливается в объеме в виде давления, которое затем толкает воздух в шее, заставляя его приобретать кинетическую энергию при движении. Эта передача между давлением и энергией потока составляет основу этого резонанса и, в конечном итоге, позволяет нам создавать чистый звук при надувании через горлышко бутылки.

Многие объекты имеют резонансные частоты, и они являются источником многих звуков, которые мы слышим. Когда вы стучите по чему-либо, большая часть звука, который вы слышите, – это, например, просто звон резонансов этого объекта. Даже [наши собственные тела имеют много разных резонансных частот] ( ). Но если так много объектов имеют резонансы, почему мы не можем потрясти их в клочья, как бокал для вина или мост через Такома-Нарроуз? Ответ – это демпфирование и важный показатель любого резонатора: добротность.

Системы с критическим демпфированием вообще не вибрируют, в то время как системы с более высоким коэффициентом добротности (меньшее демпфирование) работают дольше.

Демпфирование – это просто любая потеря энергии в колебательной системе, которая со временем приводит к потере амплитуды. Двумя распространенными формами демпфирования являются потери энергии в тепло и передача энергии в другие системы. Прекрасным примером этой второй формы является генерация звука, когда колебательная система посылает часть своей накопленной энергии в виде звука в окружающую среду.

Величина демпфирования в колебательной системе приводит к ее резонансной добротности. Добротность (или добротность) – это мера того, насколько хорош резонатор в данной системе. Высокая добротность означает, что система сильно резонирует, а низкая добротность – наоборот. Для теста типичный камертон (сильный резонатор) может иметь добротность 1000, в то время как дверной доводчик с критическим демпфированием оптимально имеет добротность 1/2. С математической точки зрения, мое любимое определение Q-фактора состоит в том, что он равен 2π-кратному количеству энергии, запасенной в системе, деленной на энергию, потерянную за цикл.По этому определению мы можем видеть, что камертон теряет только 0,63% своей общей энергии каждый цикл на нагрев или генерацию звука, что позволяет ему звонить очень долго!

Q-фактор является причиной того, что некоторые системы действительно не резонируют, а другие могут встряхнуться до разрушения. Это становится очевидным, когда мы перевернем понимание добротности. Вместо того, чтобы рассматривать потерю энергии системой в каждом цикле, мы можем сравнить, сколько энергии необходимо закачивать в систему в каждом цикле для поддержания определенного уровня запасенной энергии.Это дает нам увеличение энергии колебательной системы. С помощью этой интерпретации мы можем вычислить, что камертон с добротностью 1000 увеличивает энергию в системе в 159 раз, потому что в конечном итоге он накапливает в 159 раз больше энергии, чем вкладывается в каждый цикл. (Конечно, из-за сохранения энергии может потребоваться много циклов, чтобы накопить такое количество энергии.)

Возвращаясь к примеру, когда бокал для вина раздвигается звуком, хрустальный бокал для вина имеет довольно высокую добротность из-за структуры материала.В результате, когда звуковая энергия направляется на стекло, стекло накапливает свою собственную энергию и в конечном итоге так сильно вибрирует, что разрывается на части. Если бы стекло было сделано из какого-то другого материала, такого как пластик, потери в материале снизили бы добротность и обезопасили бы его от такого рода разрушительной силы. Действительно, хотя многие объекты в окружающем нас мире имеют частоты, на которых они преимущественно вибрируют, их добротность настолько низка, что они практически не реагируют на такого рода злоупотребления.

Однако нельзя сказать, что резонанс не важен. Нам нужно благодарить резонанс за многие вещи, от музыкальных инструментов до радио и атомных часов. Резонанс – одно из фундаментальных явлений не только акустики, но и науки в целом. Но резонанс сам по себе не раскрывает всей картины, и только через понимание добротности мы можем определить, когда резонанс действительно заслуживает внимания, а когда нет.

В следующий раз мы углубимся в резонансы и рассмотрим нормальные режимы.Мы по достоинству оценим прекрасные шаблоны, которые могут создавать режимы, и узнаем, когда режимы становятся настолько многочисленными, что смешиваются друг с другом и становятся чем-то новым.

Следующая статья…


6.2. Резонанс | Органическая химия 1: Открытый учебник

Начните с просмотра этого видео:

Если бы мы изобразили структуру ароматической молекулы, такой как 1,2-диметилбензол, мы могли бы нарисовать двойные связи двумя способами:

Какой путь правильный? На этот вопрос есть два простых ответа: «оба» и «ни один».Оба способа рисования молекулы являются одинаково приемлемыми приближениями к картине связывания молекулы, но ни один из них сам по себе не является точной картиной делокализованных пи-связей. Однако два альтернативных чертежа, , если рассматривать вместе , дают гораздо более точную картину, чем любой из них по отдельности. Это потому, что вместе они подразумевают, что углерод-углеродные связи не являются двойными связями, не одинарными связями, а примерно посередине между ними.

Эти два рисунка являются примером того, что в органической химии называется вкладчиками резонанса : две или более различных структур Льюиса, изображающие одну и ту же молекулу или ион, которые, если их рассматривать вместе, лучше справляются с аппроксимацией делокализованных пи-связей, чем любая отдельная структура.По соглашению, участники резонанса связаны двухсторонней стрелкой и иногда заключаются в скобки:

Чтобы упростить визуализацию разницы между двумя составляющими резонанса, часто используются маленькие изогнутые стрелки. Каждая из этих стрелок изображает «движение» двух пи-электронов. Через несколько глав, когда мы начнем изучать органические реакции – процесс, в котором электронная плотность смещается и ковалентные связи между атомами разрываются и образуются, – это «обозначение изогнутой стрелки» станет чрезвычайно важным для описания движения электронов.Однако при рисовании вкладчиков резонанса это «движение» электрона происходит только в нашем сознании, когда мы пытаемся визуализировать делокализованные пи-связи. Тем не менее, использование обозначения изогнутой стрелки – важный навык, который вам нужно будет развить при рисовании вкладчиков резонанса.

Изображение бензола с использованием двух вкладчиков резонанса A и B на рисунке выше не означает, что молекула , а не , в какой-то момент выглядит как структура A, а в следующий момент смещается, чтобы выглядеть как структура B.Скорее всего, во все моменты молекула представляет собой комбинацию или резонанс гибрид как A, так и B.

Осторожно ! Очень важно понимать, что при рисовании двух (или более) участников резонанса мы не рисуем две разные молекулы: это просто разных изображения одной и той же молекулы . Кроме того, двунаправленная резонансная стрелка НЕ ​​означает, что произошла химическая реакция.

Обычно производные бензола (и фенильные группы, когда бензольное кольцо включено в более крупную органическую структуру) изображаются только с одним вкладчиком резонанса, и предполагается, что читатель понимает, что подразумевается резонансная гибридизация.Это соглашение, которое будет использоваться по большей части в этой книге. В других книгах или статьях вы можете иногда увидеть бензол или фенильную группу, нарисованную кружком внутри шестиугольника, сплошным или пунктирным, как способ рисования резонансного гибрида.

Резонансные участники карбоксилатной группы

Условие рисования двух или более участников резонанса для аппроксимации единой структуры может показаться вам немного неуклюжим на данном этапе, но по мере того, как вы приобретете опыт, вы увидите, что эта практика на самом деле очень полезна при обсуждении того, как многие функциональные группы реагировать.Теперь давайте рассмотрим карбоксилат-ион (сопряженное основание карбоновой кислоты). В качестве нашего примера мы будем использовать формиат, простейшую из возможных карбоксилатсодержащих молекул. Конъюгированная кислота формиата представляет собой муравьиную кислоту, которая вызывает болезненное укус, которое вы чувствуете, если когда-либо были укушены муравьем.

Обычно вы видите карбоксилатные группы, нарисованные одной двойной связью углерод-кислород и одной одинарной связью углерод-кислород с отрицательным формальным зарядом, расположенным на одинарном кислороде.На самом деле, однако, две углеродно-кислородные связи имеют одинаковую длину, и хотя действительно существует общий отрицательный формальный заряд на группе, он поровну распределяется между двумя атомами кислорода. Следовательно, карбоксилат может быть более точно изображен парой , вкладчиков резонанса. В качестве альтернативы можно использовать единую структуру с пунктирной линией, изображающей резонансно-делокализованную пи-связь и отрицательный заряд, расположенный между двумя атомами кислорода.

Давайте посмотрим, сможем ли мы сопоставить эти условные обозначения на чертежах с картиной связи в карбоксилатной группе в соответствии с теорией валентной связи.Мы знаем, что углерод должен быть sp 2 -гибридизованным (валентные углы близки к 120˚, а молекула плоская), и мы будем рассматривать оба атома кислорода как sp 2 -гибридизованные. Таким образом, обе сигма-связи углерод-кислород образуются в результате перекрытия sp 2 орбиталей углерода и sp 2 орбиталей кислорода.

Кроме того, углерод и оба атома кислорода имеют негибридизированную орбиталь 2 p z , расположенную перпендикулярно плоскости сигма-связей.Эти три орбитали 2 p z параллельны друг другу и могут перекрываться бок о бок, образуя делокализованную пи-связь.

Вкладчик резонанса A показывает, что кислород № 1 разделяет пару электронов с углеродом в пи-связи, а кислород № 2 удерживает неподеленную пару электронов на своей орбитали 2 p z . Вкладчик резонанса B, с другой стороны, показывает, что кислород №2 участвует в пи-связи с углеродом, а кислород №1 удерживает неподеленную пару на своей орбитали 2 p z .В целом, ситуация представляет собой одну из трех параллельных, перекрывающихся 2p z орбиталей, разделяющих четыре делокализованных пи-электрона . Поскольку существует на один электрон больше, чем 2 p z орбиталей, система имеет общий заряд -1. Это вид трехмерного изображения, для аппроксимации которого используются участники резонанса, и как только вы немного попрактикуетесь, вы сможете быстро визуализировать перекрывающиеся орбитали 2 p z и делокализованные пи-электроны всякий раз, когда вы видите, что используются резонансные структуры.В этом тексте карбоксилатные группы обычно изображаются с указанием только одного участника резонанса для простоты, но вы всегда должны иметь в виду, что две связи C-O равны, и что отрицательный заряд делокализован по обоим атомам кислорода.

Упражнение

Для formate есть третий резонансный участник (который, как мы скоро узнаем, считается «второстепенным»). Нарисуйте этот вкладчик резонанса.

Вот еще один пример, на этот раз с карбокатионом.Напомним из раздела 2.1. что карбокатионы sp 2 -гибридизованы, с пустой орбиталью 2p , ориентированной перпендикулярно плоскости, образованной тремя сигма-связями. Если карбокатион примыкает к двойной связи, то три орбитали 2p могут перекрываться и разделять два пи-электрона – еще один вид сопряженной пи-системы, в которой положительный заряд разделяется на два атома углерода.

Упражнения

1. Изобразите составляющие резонанса, которые соответствуют изогнутым стрелкам движения двух электронов в выражениях резонанса ниже.

2. В каждом выражении резонанса нарисуйте изогнутые стрелки движения двух электронов на левом участнике, который показывает, как мы добираемся до правого участника. Обязательно укажите официальные сборы.

Показать решение

Некоторые общие схемы резонанса

Если вы изучите большое количество примеров резонанса, вы начнете замечать, что они почти всегда совпадают с определенными общими паттернами, которых всего четыре. Из них две относятся к незаряженным структурам, а две – к заряженным, как видно на рисунке:

Они указаны как типы I-IV, но эти термины не используются вне данного учебника! Наиболее важными являются типы III и IV, где резонанс используется для разделения или «делокализации» заряда вокруг структуры для стабилизации структуры.В более сложных случаях оба типа могут возникать одновременно.

Резонанс типа III наблюдается только при положительном заряде и обычно включает положительный заряд кислорода или азота, разделяемый на углерод; форма карбокатиона имеет только шесть валентных электронов на углероде, поэтому это менее стабильная форма, чем основная форма (которая имеет полные октеты).

Определение резонанса по Merriam-Webster

Res · o · nance | \ ˈRe-zə-nən (t) s , ˈRez-nən (t) s \ 1а : качество или состояние резонанса

б (1) : Вибрация большой амплитуды в механической или электрической системе, вызванная относительно небольшим периодическим воздействием того же или почти такого же периода, что и период собственных колебаний системы.

(2) : состояние настройки, вызывающее резонанс в механической или электрической системе.

: усиление и обогащение музыкального тона дополнительной вибрацией.

б : качество, придаваемое озвученным звукам за счет вибрации в анатомических резонирующих камерах или полостях (например, во рту или носовой полости).

c : качество богатства или разнообразия

d : качество вызова ответа какой резонанс, похоже, вызывает скандал – U.S. News & World Report

3 : звук, возникающий при перкуссии грудной клетки.

4 : концептуальное чередование химического вещества (например, молекулы или иона) между двумя или более эквивалентными разрешенными структурными представлениями, различающимися только размещением электронов, что помогает понять фактическое состояние химического вещества как объединение его возможных структур. и обычно более высокая, чем ожидалось, стабильность вида

: усиление реакции атома, ядра или частицы или событие рассеяния за счет возбуждения внутреннего движения в системе.

6 : чрезвычайно короткоживущая элементарная частица

7 : синхронная гравитационная взаимосвязь двух небесных тел (таких как луны), вращающихся вокруг третьего (например, планеты), которое может быть выражено как простое соотношение их орбитальных периодов.

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *