Використання звукового резонансу. Де можна спостерігати приклад резонансу? Власні та вимушені коливання

Ідучи по дошці, перекинутій через рів, можна потрапити кроками в резонанс із власним періодом системи (дошки з людиною на ній), і дошка починає тоді сильно вагатися (згинатися вгору і вниз). Те саме може статися і з мостом, яким проходить військова частина або проїжджає поїзд (періодична сила обумовлюється ударами ніг або ударами коліс на стиках рейок). Приміром, в 1906г. у Петербурзі обрушився так званий Єгипетський міст через річку Фонтанку. Це сталося під час переходу через міст кавалерійського ескадрону, причому чіткий крок коней, добре навчених церемоніальному маршу, потрапив у резонанс із періодом мосту. Для запобігання таким випадкам військовим частинам під час переходу через мости наказують зазвичай йти не «в ногу», а вільним кроком. Поїзди ж переважно переїжджають мости на повільному ходу, щоб період ударів коліс об стики рейок був значно більшим за період вільних коливань моста. Іноді застосовують зворотний спосіб розбудови періодів: поїзди проносяться через мости на максимальній швидкості. Трапляється, що період ударів коліс на стиках рейок збігається з періодом коливань вагона на ресорах, і вагон тоді дуже розгойдується. Корабель також має свій період хитань на воді. Якщо морські хвилі потрапляють у резонанс із періодом корабля, то хитавиця стає особливо сильною. Капітан змінює тоді швидкість корабля чи його курс. В результаті період хвиль, що набігають на корабель, змінюється (внаслідок зміни відносної швидкості корабля і волі) і уникає резонансу. Неврівноваженість машин і двигунів (недостатнє центрування, прогин валу) є причиною того, що при роботі цих машин виникає періодична сила, що діє на опору машини - фундамент, корпус корабля тощо. Період сили може збігтися при цьому з періодом вільних коливань опори або , Наприклад, з періодом коливань вигину самого валу, що обертається, або з періодом крутильних коливань цього валу. Виходить резонанс, і вимушені коливання можуть бути настільки сильні, що руйнують фундамент, ламають вали і т. д. У всіх таких випадках вживаються спеціальні заходи, щоб уникнути резонансу або послабити його дію (розлад періодів, збільшення загасання - демпфування та ін.). Очевидно, щоб за допомогою найменшої періодичної сили отримати певний розмах вимушених коливань, потрібно діяти в резонанс. Тяжка мова великого дзвона може розгойдати навіть дитина, якщо вона натягуватиме мотузку з періодом вільних коливань мови. Але найсильніша людина не розгойдає язика, смикаючи мотузку не в резонанс.

1.Яка причина утворення луни? Чому луна не виникає в маленькій, заповненій меблями кімнаті? Відповіді обґрунтуйте.

Відлуння виникає при відображенні звуку від перешкоди та повернення звукової хвилі.

У маленькій кімнаті вихідний і відбитий звук чується майже одночасно і поглинається і розсіюється меблями. У великому напівпорожньому приміщенні звук не розсіюється і відстань час приходу відбитої звукової хвилі більше.

2. Як можна покращити звукові властивості великої зали?

Для цього стіни зали облицьовують звукопоглинаючими матеріалами, які перешкоджають утворенню відлуння або гулу.

3. Чому під час використання рупора звук поширюється на більшу відстань?

При використанні рупора звук менше розсіюється, тому він має більшу потужність і поширюється на більшу відстань.

4. Наведіть приклади прояву звукового резонансу, які не згадані в тексті параграфа.

Якщо відкрити піаніно і заспівати над струнами якусь ноту, можна почути, що інструмент відгукується. Голос діє на всі струни піаніно, але відгукуються лише ті, що перебувають у резонансі. Ще приклад звукового резонансу – гітара. У правильно налаштованій гітарі, при затиску якої-небудь струни певним, можна побачити, що затиснутої струні, що коливається, резонує інша.

5. Навіщо камертони встановлюють на резонаторних ящиках? Яке призначеннярезонаторів, які застосовуються в музичних інструментах?

Резонаторні ящики сприяють посиленню звуку, він стає гучнішим, хоч і менш тривалим.

Резонатори в музичних інструментах посилюють звук та створюють певний тембр інструменту.

Ми часто чуємо слово резонанс: «суспільний резонанс», «подія, що викликала резонанс», «резонансна частота». Цілком звичні та звичайні фрази. Але чи можете точно сказати, що таке резонанс?

Якщо відповідь відскочила у вас від зубів, ми по-справжньому пишаємося! Ну а якщо тема «резонанс у фізиці» викликає питання, то радимо прочитати нашу статтю, де ми докладно, зрозуміло та коротко розповімо про таке явище як резонанс.

Перш ніж говорити про резонанс, потрібно розібратися з тим, що таке коливання та їх частота.

Коливання та частота

Коливання – процес зміни станів системи, що повторюється у часі і відбувається навколо точки рівноваги.

Найпростіший приклад коливань – катання на гойдалках. Ми наводимо його не дарма, цей приклад ще стане нам у нагоді для розуміння суті явища резонансу надалі.

Резонанс може наступити лише там, де є вагання. І не важливо, які це коливання - коливання електричної напруги, звукові коливання або просто механічні коливання.

На малюнку нижче опишемо, якими можуть бути коливання.

До речі! Для наших читачів зараз діє знижка 10% на

Коливання характеризуються амплітудою та частотою. Для згаданих вище гойдалок амплітуда коливань - це максимальна висота, яку злітають гойдалки. Також ми можемо розгойдувати гойдалку повільно чи швидко. Залежно від цього змінюватиметься частота коливань.

Частота коливань (вимірюється у Герцах) – це кількість коливань в одиницю часу. 1 Герц – це одне коливання за одну секунду.

Коли ми розгойдуємо гойдалку, періодично розгойдуючи систему з певною силою (в даному випадку гойдалка – це коливальна система), вона робить вимушені коливання. Збільшення амплітуди коливань можна досягти, якщо впливати на цю систему певним чином.

Штурхаючи гойдалки в певний момент і з певною періодичністю можна досить сильно розкачати їх, докладаючи зовсім небагато зусиль.

Суть явища резонансу

Резонанс у фізиці – це частотно-виборчий відгук коливальної системи на періодичний зовнішній вплив, який проявляється у різкому збільшенні амплітуди стаціонарних коливань при збігу частоти зовнішнього впливу з певними значеннями, характерними для даної системи.

Суть явища резонансу у фізиці у тому, що амплітуда коливань різко зростає при збігу частоти на систему зі своєю частотою системи.

Відомі випадки, коли міст, яким марширували солдати, входив у резонанс від стройового кроку, розгойдувався і руйнувався. До речі, саме тому зараз під час переходу через міст солдатам належить йти вільним кроком, а не в ногу.

Приклади резонансу

Явище резонансу спостерігається в різних фізичних процесах. Наприклад, звуковий резонанс. Візьмемо гітару. Саме собою звучання струн гітари буде тихим і майже нечутним. Проте струни недарма встановлюють над корпусом – резонатором. Потрапивши всередину корпусу, звук від коливань струни посилюється, а той, хто тримає гітару, може відчути, як вона починає трохи трястись, вібрувати від ударів по струнах. Інакше кажучи, резонувати.

Ще один приклад спостереження резонансу, з яким ми стикаємося – кола на воді. Якщо кинути у воду два камені, попутні хвилі від них зустрінуться та збільшаться.

Дія мікрохвильової печі також засноване на резонансі. У разі резонанс відбувається у молекулах води, які поглинають випромінювання НВЧ (2,450 ГГц). Як наслідок, молекули входять у резонанс, коливаються сильніше, а температура їжі підвищується.

Резонанс може бути як корисним, так і явищем, що приносить шкоду. А прочитання статті, як і допомога нашого студентського сервісу у важких навчальних ситуаціях, принесе вам лише користь. Якщо в ході виконання курсової вам знадобиться розібратися з фізикою магнітного резонансу, можете сміливо звертатися до нашої компанії за швидкою та кваліфікованою допомогою.

Насамкінець пропонуємо подивитися відео на тему «резонанс» і переконатися в тому, що наука може бути цікавою та цікавою. Наш сервіс допоможе з будь-якою роботою: від курсової з фізики коливань або есе з літератури.

Резонанс є одним із найцікавіших фізичних явищ. І чим глибше стають наші знання про навколишній світ, тим виразніше простежується роль цього явища, в різних сферах нашого життя - в музиці, медицині, радіотехніці і навіть на дитячому майданчику.

Який сенс цього поняття, умови його виникнення і прояв?

Власні та вимушені коливання. Резонанс

Згадаймо просту та приємну розвагу - розгойдування на підвісних гойдалках.

Прикладаючи в потрібний момент дуже незначне зусилля, дитина може розгойдувати дорослого. Але для цього частота впливу зовнішньої сили повинна збігтися зі своєю частотою розгойдування гойдалок. Тільки в цьому випадку амплітуда їх коливань помітно зросте.

Отже, резонанс це явище різкого зростання амплітуди коливань тіла, коли частота його коливань збігається з частотою дії зовнішньої сили.

Насамперед, розберемося у поняттях - власні та вимушені коливання.Власні - притаманні всім тілам - зіркам, струнам, пружинам, ядрам, газам, рідинам... Зазвичай вони залежать від коефіцієнта пружності, маси тіла та інших параметрів. Такі коливання виникають під впливом первинного поштовху, що здійснюється зовнішньою силою. Так, щоб привести в вагання вантаж, підвішений на пружині, достатньо відтягнути його на деяку відстань. Власні коливання, що виникли при цьому, будуть загасаючими, оскільки енергія коливань витрачається на подолання опору самої коливальної системи та навколишнього середовища.

Вимушені коливання виникають при дії на тіло сторонньої (зовнішньої) сили з певною частотою. Цю сторонню силу ще називають силою, що змушує. Дуже важливо, щоб ця зовнішня сила діяла на тіло у потрібний момент та у потрібному місці. Саме вона заповнює втрати енергії та збільшує її при власних коливаннях тіла.

Механічний резонанс

Дуже яскравим прикладом прояву резонансу є кілька випадків обвалення мостів, коли ними стройовим кроком проходила рота солдатів.

Очікуваний крок солдатських чобіт збігся зі своєю частотою коливань моста. Він став вагатися з такою амплітудою, на яку його міцність не була розрахована і розвалився. Тоді й народилася нова військова команда "... не в ногу".Вона звучить, коли піша чи кінна рота солдатів проходить мостом.

Якщо вам траплялося подорожувати поїздом, то найуважніші з вас звернули увагу на помітні похитування вагонів, коли його колеса потрапляють на стики рейок. Це вагон відгукується, т. е. резонує з коливаннями, що виникають при подоланні цих зазорів.

Корабельні прилади постачають масивними підставками або підвішують на м'яких пружинах, щоб уникнути резонансу цих корабельних деталей з коливаннями корабельного корпусу. При запуску корабельних двигунів судно так може увійти в резонанс із їхньою роботою, що це загрожує його міцності.

Наведених прикладів достатньо, щоб переконатися у необхідності враховувати резонанс. Але ми іноді використовуємо механічний резонанс, не помічаючи цього. Виштовхуючи машину, що застрягла у дорожньому бруді, водій та його добровільні помічники спочатку розгойдують її, а потім дружно штовхають вперед у напрямку руху.

Розгойдуючи важкий дзвін, дзвонарі теж несвідомо використовують це явище.

Вони ритмічно в такт зі своїми коливаннями мови дзвона, смикають за прикріплений до нього шнур, все збільшуючи амплітуду коливань.

Існують прилади, які вимірюють частоту електричного струму. Їхня дія заснована на використанні резонансу.

Акустичний резонанс

На сторінках нашого сайту ми. Продовжимо нашу розмову, доповнивши її прикладами прояву акустичного чи звукового резонансу.

Для чого у музичних інструментів, особливо у гітари та скрипки такий гарний корпус? Невже лише для того, щоб гарно виглядати? Виявляється, ні. Він потрібен для правильного звучання, всієї звукової палітри, що видається інструментом. Звук, що видається найгітарнішою струною досить тихий. Щоб його посилити струни, розташовують поверх корпусу, що має певну форму та розміри. Звук, потрапляючи всередину гітари, резонує з різними частинами корпусута посилюється.

Сила та чистота звуку залежить від якості дерева, і навіть від лаку, яким покритий інструмент.

Є резонатори та в нашому голосовому апараті.Їх роль виконують різні повітряні порожнини, що оточують голосові зв'язки. Вони посилюють звук, формують його тембр, посилюючи саме ті коливання, частота яких близька до їх власної. Вміння використовувати резонатори свого голосового апарату – це одна із сторін таланту співака. Ним досконало володів Ф.І. Шаляпін.

Розповідають, що коли цей великий артист співав на всю міць, гасли свічки, тремтіли люстри та тріскалися грановані склянки.

Тобто. явище звукового резонансу грає величезну роль чудовому світі звуків.

Електричний резонанс

Не минуло це явище та електричні ланцюги. Якщо частота зміни зовнішньої напруги збігається з частою власних коливань ланцюга,може виникнути електричний резонанс. Як завжди він проявляється в різкому зростанні та сили струму та напруги в ланцюзі. Це загрожує коротким замиканням і виходом з ладу приладів, включених у ланцюг.

Однак саме резонанс дозволяє нам настроїтись на частоту певної радіостанції. Зазвичай на антену надходить безліч частот різних радіостанцій. Повертаючи ручку налаштування, ми змінюємо частоту приймального контуру радіоприймача.

Коли одна з частот, що прийшли на антену, збігається з цією частотою, тоді ми і почуємо цю радіостанцію.

Хвилі Шумана

Між поверхнею Землі та її іоносферою існує шар, у якому дуже добре поширюються електромагнітні хвилі. Цей небесний коридор називають хвилеводом. Хвилі, що тут народжуються, можуть кілька разів огинати Землю. Але де вони беруться? Виявилося, що вони виникають під час розрядів блискавок.

Професор Мюнхенського технічного університету Шуман розрахував їхню частоту. З'ясувалося, що вона дорівнює 10 Гц. Але ж саме з таким ритмом відбуваються коливання людського мозку! Цей дивовижний факт було бути простим збігом. Ми живемо всередині гігантського хвилеводу, який керує своїм ритмом нашим організмом.Подальші дослідження підтвердили це припущення. Виявилося, що перекручування хвиль Шумана, наприклад, при магнітних бурях погіршує стан здоров'я людей.

Тобто. Для нормального самопочуття людини ритм найважливіших коливань людського організму має резонувати із частотою хвиль Шумана.

Електромагнітний зміг від роботи побутових та промислових електроприладів спотворюють природні хвилі Землі, та руйнує наші тонкі взаємозв'язки зі своєю планетою.

Законам резонансу підпорядковані всі об'єкти Всесвіту. Цим законам підпорядковуються навіть взаємини людей. Так, вибираючи собі друзів, ми шукаємо собі подібних, із якими нам цікаво, з якими знаходимося «на одній хвилі».

Якщо це повідомлення тобі стало в нагоді, буду рада бачити тебе

Визначення поняття резонансу (відгуку) у фізиці покладається на спеціальних техніків, які мають графіки статистики, що часто стикаються з цим явищем. На сьогоднішній день резонанс є частотно-виборчим відгуком, де вібраційна система або різке зростання зовнішньої сили змушує іншу систему осциллювати з більшою амплітудою на певних частотах.

Принцип дії

Це явище спостерігається, коли система здатна зберігати та легко переносити енергію між двома або більше різними режимами зберігання, такими як кінетична та потенційна енергія. Однак є деякі втрати від циклу до циклу, які називають згасанням. Коли згасання незначно, резонансна частота приблизно дорівнює своїй частоті системи, яка є частотою невимушених коливань.

Ці явища відбуваються з усіма типами коливань чи хвиль: механічні, акустичні, електромагнітні, ядерні магнітні (ЯМР), електронні спінові (ЕПР) та резонанс квантових хвильових функцій. Такі системи можуть бути використані для генерації вібрацій певної частоти (наприклад, музичних інструментів).

Термін «резонанс» (від латинської resonantia, «луна») походить від поля акустики, що особливо спостерігається в музичних інструментах, наприклад, коли струни починають вібрувати і відтворювати звук без прямого впливу гравцем.

Поштовх людини на гойдалціє найпоширенішим прикладом цього явища. Завантажені гойдалки, маятник мають власну частоту коливань і резонансну частоту, яка чинить опір штовханню швидше або повільніше.

Прикладом є коливання снарядів на дитячому майданчику, що діє як маятник. Натискання людини під час хитання з природним інтервалом коливання призводить до того, що гойдалка йде все вище і вище (максимальна амплітуда), тоді як спроби робити хитання з більш швидким або повільним темпом створюють менші дуги. Це з тим, що енергія, поглинається коливаннями, збільшується, коли поштовхи відповідають природним коливанням.

Відгук широко зустрічається у природіта використовується в багатьох штучних пристроях. Це механізм, за допомогою якого генеруються практично всі синусоїдальні хвилі та вібрації. Багато звуків, які ми чуємо, наприклад, коли ударяються жорсткі предмети з металу, скла або дерева, викликані короткими коливаннями в об'єкті. Легке та інше короткохвильове електромагнітне випромінювання створюється резонансом в атомному масштабі, таким як електрони в атомах. Інші умови, в яких можуть застосовуватись корисні властивості цього явища:

• Механізми хронометражу сучасного годинника, колесо балансу в механічному годиннику та кварцовий кристал у годиннику.
• Припливний відгук затоки Фанді.
• Акустичні резонанси музичних інструментів та людського голосового тракту.
• Руйнування кришталевого келиха під впливом музичного правого тону.
• Фрикційні ідіофони, такі як виготовлення скляного предмета (скла, пляшки, вази), вібрують, при потиранні навколо краю кінчиком пальця.
• Електричний відгук настроєних схем у радіостанціях та телевізорах, які дозволяють вибірково приймати радіочастоти.
• Створення когерентного світла оптичним резонансом лазерної порожнини.
• Орбітальний відгук, прикладом якого є деякі місяці газових гігантів Сонячної системи.

Матеріальні резонанси в атомному масштабіє основою декількох спектроскопічних методів, що використовуються у фізиці конденсованих середовищ, наприклад:

• Електронний спіновий.
• Ефект Мессбауера.
• Ядерний магнітний.

Типи явища

В описі резонансу Г. Галілей саме звернув увагу на найважливіше - на здатність механічної коливальної системи (важкого маятника) накопичувати енергію, яка підводиться від зовнішнього джерела з певною частотою. Прояви резонансу мають певні особливості у різних системах і тому виділяють різні типи.

Механічний та акустичний

Це тенденція механічної системи поглинати більше енергії, коли частота її коливань відповідає своїй частоті вібрації системи. Це може призвести до сильних коливань руху і навіть катастрофічного провалу в недобудованих конструкціях, включаючи мости, будівлі, поїзди та літаки. При проектуванні об'єктів інженери повинні забезпечити безпеку, щоб механічні резонансні частоти складових частин не відповідали коливальним частот двигунів або інших осцилюючих частин, щоб уникнути явищ, відомих як резонансне лихо.

Електричний резонанс

Виникає в електричному ланцюзі на певній резонансній частоті, коли імпеданс схеми мінімальний у послідовному ланцюзі або максимум у паралельному контурі. Резонанс у схемах використовується для передачі та прийому бездротового зв'язку, такий як телебачення, стільниковий або радіозв'язок.

Оптичний резонанс

Оптична порожнина, також звана оптичним резонатором, є особливим розташуванням дзеркал, яке утворює резонатор стоячої хвилі для світлових хвиль. Оптичні порожнини є основним компонентом лазерів, що оточують середовище посилення та забезпечують зворотний зв'язок лазерного випромінювання. Вони також використовуються в оптичних параметричних генераторах та деяких інтерферометрах.

Світло, обмежене в порожнині, багаторазово відтворює стоячі хвилі для певних резонансних частот. Отримані патерни стоячої хвилі називаються режимами. Поздовжні моди відрізняються лише частотою, у той час як поперечні різняться для різних частот і мають різні малюнки інтенсивності впоперек перерізу пучка. Кільцеві резонатори і галереї, що шепочуть, є прикладами оптичних резонаторів, які не утворюють стоячих хвиль.

Орбітальні коливання

У космічній механіці виникає орбітальний відгукколи два орбітальних тіла надають регулярний, періодичний гравітаційний вплив один на одного. Зазвичай це відбувається через те, що їхні орбітальні періоди пов'язані ставленням двох невеликих цілих чисел. Орбітальні резонанси значно посилюють взаємний гравітаційний вплив тіл. У більшості випадків це призводить до нестабільної взаємодії, в якій тіла обмінюються імпульсом і зміщенням, поки що резонанс більше не існує.

За певних обставин резонансна система може бути стійкою та самокоригуючою, щоб тіла залишалися в резонансі. Прикладами є резонанс 1:2:4 місяців Юпітера Ганімед, Європа та Іо та резонанс 2:3 між Плутоном і Нептуном. Нестійкі резонанси із внутрішніми місяцями Сатурна породжують щілини в кільцях Сатурна. Частковий випадок резонансу 1: 1 (між тілами з аналогічними орбітальними радіусами) змушує великі тіла Сонячної системи очищати околиці навколо своїх орбіт, виштовхуючи майже решту навколо них.

Атомний, частковий та молекулярний

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)- це ім'я, що визначається фізичним резонансним явищем, пов'язаним із спостереженням конкретних квантовомеханічних магнітних властивостей атомного ядра, якщо є зовнішнє магнітне поле. Багато наукових методів використовують ЯМР-феномени для вивчення молекулярної фізики, кристалів та некристалічних матеріалів. ЯМР зазвичай використовується в сучасних медичних методах візуалізації, таких як магнітно-резонансна томографія (МРТ).

Користь та шкода резонансу

Для того щоб зробити якийсь висновок про плюси та мінуси резонансу, необхідно розглянути, у яких випадках він може проявлятися найбільш активно та помітно для людської діяльності.

Позитивний ефект

Явище відгуку широко використовується в науці та техніці. Наприклад, робота багатьох радіотехнічних схем та пристроїв ґрунтується на цьому явищі.

Негативний вплив

Однак не завжди явище корисне. Часто можна зустріти посилання на випадки, коли навісні мости ламалися під час проходження солдатами «в ногу». При цьому посилаються на прояв резонансного ефекту впливу резонансу, і боротьба з ним набуває масштабного характеру.

Боротьба з резонансом

Але незважаючи на іноді згубні наслідки ефекту відгуку з ним, цілком можна і потрібно боротися. Щоб уникнути небажаного виникнення цього явища, зазвичай використовують два способи одночасного застосування резонансу та боротьби з ним:

1. Проводиться «роз'єднання» частот, які у разі збігу призведуть до небажаних наслідків. Для цього підвищують тертя різних механізмів або змінюють частоту коливань системи.
2. Збільшують згасання коливань, наприклад, ставлять двигун на гумову підкладку чи пружини.