При звуковому резонансі зростає частота коливань. Резонанс та світлові хвилі

Перш ніж розпочати знайомство з явищами резонансу, слід вивчити фізичні терміни, пов'язані з ним. Їх не так багато, тому запам'ятати та зрозуміти їхній зміст буде нескладно. Отже, все по порядку.

Що таке амплітуда та частота руху?

Уявіть звичайне подвір'я, де на гойдалці сидить дитина і махає ніжками, щоб розхитатися. У момент, коли йому вдається розкачати гойдалку і вони досягають рівномірного руху з одного боку до іншого, можна підрахувати амплітуду та частоту руху.

Амплітуда – це найбільша довжина відхилення від точки, де тіло знаходилося в положенні рівноваги. Якщо брати наш приклад гойдалок, то амплітудою можна вважати найвищу точку, до якої розхиталася дитина.

А частота – це кількість коливань чи коливальних рухів за одиницю часу. Вимірюється частота у Герцах (1 Гц = 1 коливання за секунду). Повернемося до наших гойдалок: якщо дитина проходить за 1 секунду тільки половину всієї довжини гойдання, то її частота дорівнюватиме 0,5 Гц.

Як частота пов'язана із явищем резонансу?

Ми вже з'ясували, що частота характеризує кількість коливань предмета за одну секунду. Уявіть тепер, що дитині, що слабо гойдається, доросла людина допомагає розгойдатися, щоразу підштовхуючи гойдалки. При цьому дані поштовхи також мають свою частоту, яка посилюватиме або зменшуватиме амплітуду гойдання системи «гойдалка-дитина».

Допустимо, дорослий штовхає гойдалки в той час, коли вони рухаються назустріч до нього, у такому разі частота не збільшуватиме амлітуду руху підвісних гойдалок. Тобто стороння сила (у разі поштовхи) нічого очікувати сприяти посилення коливання системи.

Якщо частота, з якою дорослий розгойдує дитину, буде чисельно дорівнює самій частоті коливання гойдалок, може виникнути резонанс. Іншими словами, приклад резонансу - це збіг частоти самої системи із частотою вимушених коливань. Логічно уявити, що частота вимушених коливань та резонанс взаємопов'язані.

Де можна спостерігати приклад резонансу?

Важливо розуміти, що приклади вияву резонансу зустрічаються практично у всіх сферах фізики, починаючи від звукових хвиль та закінчуючи електрикою. Сенс резонансу у тому, що коли частота змушує сили дорівнює своїй частоті системи, то цей момент амплітуда коливань досягає найвищого значення.

Наступний приклад резонансу дасть розуміння суті. Припустимо, ви крокуєте тонкою дошкою, перекинутою через річку. Коли частота ваших кроків збігається з частотою або періодом усієї системи (дошка-людина), то дошка починає сильно вагатися (хилитися вниз і вгору). Якщо ви продовжите рухатися такими ж кроками, то резонанс викличе сильну амплітуду коливання дошки, яка виходить за межі допустимого значення системи і це призведе до неминучої поломки містка.

Існують також сфери фізики, де можна використовувати таке явище, як корисний резонанс. Приклади можуть здивувати вас, адже ми використовуємо його інтуїтивно, навіть не здогадуючись про наукову сторону питання. Так, наприклад, ми використовуємо резонанс, коли намагаємось витягнути машину з ями. Згадайте, адже найлегше досягти результату лише тоді, коли штовхаєш машину в момент її руху вперед. Цей приклад резонансу посилює амплітуду руху, тим самим допомагаючи витягти машину.

Приклади шкідливого резонансу

Складно сказати, який резонанс у нашому житті зустрічається більше: хороший або шкода, що завдає нам. Історії відомо чимало жахливих наслідків явища резонансу. Ось найвідоміші події, на яких можна спостерігати приклад резонансу.

У Франції, у місті Анжера, 1750 року загін солдатів йшов у ногу через ланцюговий міст. Коли частота їхніх кроків збіглася із частотою вільних коливань моста, розмахи коливань (амплітуда) різко збільшилися. Настав резонанс, і ланцюги обірвалися, а міст упав у річку.
Траплялися випадки, коли в селах будинок був зруйнований через вантажний автомобіль, що проїжджав головною дорогою.

Як бачите, резонанс може мати небезпечні наслідки, ось чому інженерам слід ретельно вивчати властивості будівельних об'єктів і правильно обчислювати їх частоти коливань.

Корисний резонанс

Резонанс не обмежується лише плачевними наслідками. При уважному вивченні навколишнього світу можна спостерігати безліч добрих та вигідних для людини результатів резонансу. Ось один яскравий приклад резонансу, що дозволяє отримувати людям естетичне задоволення.

Пристрій багатьох музичних інструментів працює за принципом резонансу. Візьмемо скрипку: корпус та струна утворюють єдину коливальну систему, усередині якої є штифт. Саме через нього передаються частоти коливань із верхньої деки до нижньої. Коли лют'єр водить смичком по струні, то остання, подібно до стріли, перемагає своєю силою пружності тертя каніфольної поверхні і летить у зворотний бік (починає рух у протилежну область). Виникає резонанс, який передається у корпус. А всередині його є спеціальні отвори – ефи, крізь які резонанс виводиться назовні. Саме таким чином він контролюється у багатьох струнних інструментах (гітара, арфа, віолончель та ін.).

Що спільного між звуками чудової музики, катанням на гойдалці, грозою та молитвою? Як ми пов'язані зі своєю Землею? І що відбувається, коли працюють цілителі? Цьому явищу дано дуже просте визначення резонанс.

Резонанс, як основа всіх явищ у природіЗ переходом до нового віку, як завжди, не бракувало прогнозів щодо тенденцій розвитку науки і техніки. Значно рідше зустрічалися висловлювання про майбутнє людства як виду. Якщо не брати до уваги глобальні катаклізми типу затоплення-зледеніння або зіткнення з астероїдом, то, мабуть, найбільш важливе, яскраво виражене масштабне явище, здатне сильно вплинути на людину – це електромагнітні поля. Навіть для тих, у кого невидимий світ населений ангелами, бісами та іншими сутностями, він реально пронизаний електромагнітними коливаннями, вібраціями різних частот, породженими як людиною, так і самою природою. Однак бачимо ми менше одного відсотка всього цього пишноти.

Поширюються ці коливання як хвиль. Чудово, що коливання і хвилі будь-якої природи описуються одними й тими самими рівняннями. І якщо розібратися з деякими поняттями, зручними для міркувань про коливання і хвилі, то ми досить несподівано зможемо вийти на різні явища в житті, про які точно думали, але «ні в кого було запитати». Почнемо із того, що легше відчути.

Вібрації та коливання, хвилі, резонанс у музиціОсь, наприклад, чудове явище – резонанс. Не тільки музиканти знають, що якби не резонанс, то музики не було б. Щипком струни, ударом молоточка по ній або потоком повітря в трубці виконавець створює лише слабке початкове коливання. Воно залишилося б непоміченим, якби не резонатор або, простіше кажучи, корпус інструменту, здатний відгукуватися на кожну частоту, посилювати її, надавати тембр.

Таке можливо тому, що цей резонатор має свої резонансні частоти, тобто він здатний посилювати, фарбувати і продовжувати деякі коливання струни. Але не будь-які, а лише ті, які близькі до так званих власних частот. А ці останні залежать передусім від розмірів і форми корпусу-резонатора. І ще від багатьох тонкощів, куди входять вид деревини, вологість її і т.п. Ось тут і проявляється майстерність виробника інструменту, про який ми так часто чуємо. У разі успіху інструмент співатиме в руках виконавця у повній відповідності до тієї музики, що звучить у його душі.

Цікаво, що, за сучасними поняттями, органи та системи людського тіла мають власні частоти коливань, які звукова хвиля посилює або пригнічує, тим самим впливаючи на їх функції.

Бувають резонанси та іншого виду. Механічний резонанс, наприклад. Можна добре відчути механічний резонанс, віддаючись всіма улюбленим веселим заняттям – розгойдуванням на гойдалках. Розважаючи себе або дитину, ми докладаємо силу потрібного напряму в певний момент. Точна формула визначення цього моменту досить складна, як не дивно. Але кожен легко визначає його інстинктивно. Дуже дивно виглядала б людина, яка намагається розкачати гойдалку, підштовхуючи їх не вчасно, тобто не в резонансі зі своєю частотою його коливань. Тут доречно сказати нарешті, що таке частота коливання. Вона показує, скільки разів на секунду гойдалки прийдуть в те саме місце своєї траєкторії. Ну, скажімо для певності, – у те місце, де їх штовхають. І якщо частота коливань гойдалок збігається із частотою поштовхів, виникає явище резонансу – тоді розмах коливань гойдалок зростатиме. Для подальших міркувань важливо, що з резонансі деякі зовнішні впливу синхронізовані у часі з внутрішніми властивостями системи, тобто максимально реалізований принцип «в потрібний час у потрібному місці».

Явище механічного резонансу здатне заподіяти і моторошну шкоду. Відомий випадок руйнування мосту, яким марширувала рота солдатів. Міст, напевно, розраховувався на дуже великі навантаження. Але резонанс! Хто ж міг припускати, що власна частота коливань мосту збігатиметься з ритмом просування роти. Солдати йшли в ногу, синхронно карбували крок, як один великий солдат. І саме із тією частотою, яка була резонансною для цього мосту! З того часу в статуті зазначено, що при пересуванні мостом необхідно збивати крок.

Ми познайомилися зі звуковими та механічними резонансами. І тепер легше буде розібратися із найцікавішими резонансами – електромагнітними.

Резонанс іншого рівня взаємодії – електромагнітний

Резонанс ШуманаМи живемо в шарі між поверхнею Землі та іоносферою, нижня межа якої становить приблизно 80 км і називається шаром Хевісайда. Якщо уявити Землю у вигляді апельсина розміром 5 сантиметрів, цей шар буде на висоті 3 міліметри, тобто цей шар дуже близько до Землі. Довгохвильовий радіозв'язок можливий тільки завдяки шару Хевісайду, тому що саме від нього походить відбиття радіохвиль, що обгинають Землю. Земля – добрий провідник електричного струму, у будь-якому разі на ній для цього достатньо води, причому дві третини з неї – солона вода океанів. В іоносфері також є чому забезпечувати провідність – сонячне світло відриває електрони від молекул газів розрідженої атмосфери, створюється плазма. У просторі між цими сферами повітря, слабкий провідник. Виходить симетричний сферичний конденсатор, утворений двома поміщеними один в одного сферами, що проводять. У цьому Земля заряджена негативно, а іоносфера – позитивно. Така система називається хвилеводом, у ній добре поширюються електромагнітні хвилі.

Ті хвилі, які є резонансними при цьому гігантського природного хвилеводу, можуть кілька разів огинати Землю. Цілком аналогічно тому, як звук резонує в обсязі музичного інструменту. Які це частоти? Таке завдання у 1949 р. поставив перед своїми студентами на заняттях з електрофізики професор Мюнхенського технічного університету Вінфред Отто Шуман. Якщо підійти до питання приблизно і просто, достатньо знати розміри Землі та її іоносфери, щоб розрахувати ці частоти. Вийшло, що у порожнині Земля – іоносфера можуть поширюватися (резонувати) електромагнітні хвилі досить низькою, навіть наднизькою частоти – 10 герц. Незабаром Шуман і експериментально виявив такі хвилі та опублікував статтю про це у якомусь фізичному журналі. Ці хвилі так і почали називати – резонанси Шумана. А звідки вони взагалі взялися, ці хвилі, в порожнині Земля – іоносфера? Блискавки! Їх виявляється так багато поблизу Землі – в середньому близько сотні розрядів за хвилину. Блискавки виробляють цілий спектр електромагнітних коливань. Але тільки ті з них, що збігаються із власними частотами природного хвилеводу, тобто з розрахованою частотою близько 10 герц, можуть огинати Землю кілька разів на секунду.

Ніхто спочатку не надав особливого значення цим відкриттям, навіть сам Шуман. Тим більше, що насправді світом раніше вже бродили подібні ідеї. Автор їх – геніальний серб Нікола Тесла – створював штучні блискавки ще наприкінці ХІХ століття. Він виявив, що з розряді з'являються хвилі дуже низької частоти. І вони можуть глибоко проникати до Землі без послаблення, тому що резонують із власними коливаннями Землі. Більше того, утворюється стояча хвиля, що обігає Землю. Ці дослідження Тесла тоді не були підтримані – час не настав. Прийшло воно через 50 років – із роботами Шумана.

Резонанс та новий погляд на вібрації та частоту в науці, резонанс ШуманаЗдорова цікавість іноді змушує дослідників переглядати книги та журнали з далеких від спеціальності розділів науки. Бути б резонансами Шумана похованими в анналах історії науки, якби не цікавість одного психолога, який залишився невідомим, переглядав фізико-технічну періодику. Прочитавши публікацію Шумана, він злякався. Основна частота резонансу – близько 10 герц – збігалася з основним ритмом людського мозку – альфа-ритмом! Чому? Звичайно, він одразу ж зателефонував до Шумана. Адже надзвичайно дивно, що збігаються ритми Землі та мозку людини в стані спокійного неспання. Шуман підключив до робіт студента-випускника, майбутнього свого наступника Герберта Кеніга. Незвичайною справою захоплювався цей студент. Він досліджував, як працюють ті, хто може знаходити в землі воду або мінерали за допомогою вербового прута, тобто лозоходці. Далі ми побачимо всю прикметність цієї обставини. У своїй докторській дисертації Кеніг повідомив про точніші виміри основної частоти резонансу Шумана – 7,83 гц.

Вдалося виміряти і вищі гармоніки першої частоти. Вони становлять у середньому 14, 20, 26, 33, 39 та 45 герц. Виявилося, і цим частотам є відповідність у спектрі хвиль, що випромінюються мозком людини! Словом, частотна смуга зміни біострумів мозку лежить у межах зміни резонансних частот порожнини Земля – іоносфера у спокійних умовах. Коливальна система «людина – місце існування» перебуває у стані рівноваги. Це не може бути випадковим збігом! Якби ми свідомо все влаштовували для життя на Землі, краще не зробили б.

Виміряти резонанс Шумана – це означає будь-якого місця Землі створити запис інтенсивності електричного і магнітного полів окремо залежно від часу або від частоти. Незважаючи на глобальну важливість, донедавна робіт із резонансів Шумана було мало. Може, тому, що цим діапазоном частот цікавляться військові – для зв'язку з підводними човнами, адже такі хвилі проникають глибоко у воду та землю. А може тому, що вимірювати резонанси Шумана – важке завдання. Вони надто слабкі на тлі власних електричного та магнітного полів Землі, які в 10 тисяч, а то й у 100 тисяч разів більші. Щоб виміряти резонанси Шумана, необхідна стандартна електроніка (підсилювачі-підсилювачі) та дуже незвичайні антени. Для вимірювання електричного поля звичайна антена мала б бути довжиною 20 тисяч кілометрів. Тому використовують спеціальну, кульову антену разом із підсилювачем. Магнітні поля вимірювати теж потрібні всілякі хитрощі. Переміщення людей, тварин, розгойдування дерев при вітрі можуть перекреслити кропітку працю колективів геофізиків та радіоелектронників.

Де вимірюють резонанси Шумана? Та по всій землі. В Америці та в Австралії, у Фінляндії, Німеччині та в Росії, в Англії та в Ісландії.

Щоб краще зрозуміти явище, добре було б дізнатися, чому воно залежить. Частота та інтенсивність природних пульсацій Землі – не постійні фіксовані величини. Як показали подальші дослідження, вони трохи змінюються під впливом наступних факторів:

Географічне місце.Найсильніше резонанси Шумана помітні поблизу світових осередків гроз. Якщо розглянути дані з супутників NASA про місця виникнення блискавок за багато років, можна побачити, що блискавки переважно трапляються над землею, а чи не над поверхнею води. Найбільше їх у Африці. Адже на сучасних поглядах там і з'явилася людина.

Час доби.Вночі Сонце не іонізує атмосферу на темному боці Землі, і шар Хевісайду тут зникає, а з ним і шуманівські хвилі. На світанку відновлюється верхня межа навколоземного хвилеводу і знову з'являються хвилі Шумана. Земля відпочиває та прокидається разом з нами. Чи це ми – з нею.

Чистота повітря. Спостерігається підвищення частоти, якщо у повітрі багато водяної пари, газів.

Навколишнє оточення.Електромагнітний смог від усього електроустаткування перекриває в сотні разів цілющі природні сплески резонансів Шумана. Їх гасять деякі будівельні матеріали. Може, тому собаки та діти хочуть гуляти, навіть якщо щойно повернулися з вулиці.

Спалах на Сонце.Дослідники стверджують, що при магнітних бурях або в умовах електромагнітних полів техногенного походження, коли змінюється частота природних резонансів Шумана, погіршується стан людей у віці та дітей, частіше трапляються гіпертонічні кризи, епілептичні напади та суїциди.

А яким чином все ж таки здійснюється вплив магнітних бур на людину? Можливо, справа така. При спалахах на Сонці змінюються властивості шару Хевісайду – верхньої межі нашого природного резонатора. Це призводить до зміни частоти резонансу Шумана. Ще в 1665 році Християн Гюйгенс зауважив, що якщо неподалік один від одного починають коливатися два маятники з близькою, але все ж таки різною частотою, то через деякий час їх частота коливань стане однаковою. І це загальний закон. Кожній коливальній системі «легше» коливатися в такт, ніж урізнобій. Отже, резонанси Шумана для нас є ритмоводителем.

Змінилася з якоїсь причини частота Шумана – це призводить до зміни частоти електромагнітних коливань мозку та погіршення стану людини. Таким чином, саме через резонанси Шумана здоров'я людини пов'язане із геофізичним станом Землі. Більше того, виявилося, що не лише фізичне здоров'я, а й душевне, та й просто здатність мислити. Адже мозок працює в режимі альфа-ритму (на частоті близько 8 герц) у тих випадках, коли людина, перебуваючи у стані м'язової релаксації, вирішує творчі завдання. Більшість людей, мають чітко виражений альфа-ритм, переважає здатність до абстрактного мислення. Зрідка зустрічаються люди, у яких виявляється повна відсутність альфа-ритмів. Вони вільно мислять зоровими образами, проте зазнають труднощів у вирішенні проблем абстрактного характеру.

Ті, хто схильний до дослідницької діяльності, можуть простежити зв'язок власного самопочуття (зміна артеріального тиску, наприклад) зі змінами в спектрі хвиль Шумана. Зробити це можна, відвідуючи, наприклад, сайт Томського державного університету Дані оновлюються кожні дві години. Крім того, цікаво самому переконатися, чи дійсно зростає частота шуманівських хвиль, як повідомляється іноді про це. Адже це означало б, не мало не мало, що йде еволюція мозку людини.

Виявилося: власне магнітне поле Землі пульсує у тому діапазоні частот, як і резонанси Шумана, і ритми мозку. Це призвело навіть до деякої плутанини. Ви можете іноді почути, що резонанси Шумана – це коливання магнітного поля Землі. А не хвилі, народжені блискавками і що оминають Землю в природному хвилеводі.

Наразі кількість публікацій з резонансів Шумана сильно зросла – приблизно до тисячі на рік. Обговоримо дві основні причини цього.

По-перше, виявилася можливість визначення за резонансами Шумана температури та грозової активності у масштабах планети. Наразі вже точно відомо, що чим вища температура повітря нижніх шарів атмосфери, тим більше гроз, блискавок та опадів. А отже, потужніші резонанси Шумана. За нехитрою логікою, вимірюючи інтенсивність резонансів у різних місцях Землі, можна судити про її середню температуру. Тобто резонанс Шумана – це термометр для матінки-землі. «Середня по Землі» температура – зараз болюче питання для всіх людей взагалі, а не лише для вчених. Не вщухають суперечки, чи почалося вже глобальне потепління, чи це проблема наших нащадків.

З резонансами Шумана, точніше, з діяльністю людського мозку на частотах цих резонансів деякі дослідники пов'язують різні ефекти далекогляду, цілительства, гіпнозу, пошуків води і корисних копалин за допомогою лози або рамки. Доктор Джон Циммерман, засновник і президент Інституту біоелектромагнетизму в Рено, штат Невада, займався вивченням великої літератури діяльності цілителів. Він виявив, що на початку сеансу у цілителя встановлюється зв'язок із хвилями Шумана. Його права і ліва півкулі мозку синхронізуються, тоді як зазвичай вони злегка розбалансовані. Обидві півкулі починають працювати в альфа-ритмі з частотою близько 8 герц. Потім альфа-ритм входять і мозкові хвилі пацієнта. Ці хвилі синхронізуються з хвилями цілителя. У пацієнтів під час сеансу також спостерігається частотна рівновага між півкулями мозку. Образно кажучи, цілитель приєднує свого пацієнта до електромагнітного поля хвиль Шумана та до пульсацій магнітного поля Землі.

Резонанс ритмів людини при медитації та молитвіІснують дослідження, які свідчать, що при медитації та під час молитви людський мозок теж працює із частотою близько 8 герц, у ритмі з хвилями Шумана та магнітним полем Землі.

Досі ми розмірковували головним чином про природну складову системи людина – середовище її проживання. Але вже існує поняття "електромагнітний смог". Це хаотичне випромінювання від різних побутових та промислових електроприладів. Його потужність уже в сотні разів перевищує природне тло. Звичайно, хвилі з частотою альфа-ритму дуже слабенькі, їх розмах, або амплітуда, складає всього близько 30 мільйонів вольта. Здавалося б, це дуже мало в порівнянні з власним магнітним полем Землі і з техногенними полями. Але частоти збігаються з ритмами мозку! Згадайте про резонансні ефекти! З цієї точки зору для людини небезпечні пристрої, що працюють у тому діапазоні частот, як і слабкі, але такі необхідні природні поля. Ось, наприклад, мобільні телефони. Усі дослідження їхньої «шкідливості» проводилися з урахуванням лише їхнього теплового впливу. Але дуже важливим є й інформаційний вплив, який ніхто не враховує. Адже одна з частот випромінювання стільникового телефону – ті самі 8 Гц – пов'язана з нашою індивідуальною розумовою діяльністю. Отже, ззовні, причому з безпосередньої близькості, до мозку людини надходять сигнали, які здатні резонансним чином взаємодіяти з власною біоелектричною активністю головного мозку і тим самим порушувати його функції. Такі зміни помітні на електроенцефалограмі та не зникають тривалий час після закінчення розмови.

Повідомляють, що в Америці кожен співробітник NASA має при собі прилад - індивідуальне джерело "корисних" електромагнітних хвиль в діапазоні хвиль Шумана, для поліпшення самопочуття при "підстроюванні" до природних ритмів.

А ось бджоли… Бджоли вимирають. За висновками вчених німецького університету Кобленц-Ландау, у США та деяких країнах Європи загинуло до 70% бджолиних сімей. Їх загибель пов'язують із втратою орієнтації під впливом техногенних електромагнітних полів, що породжуються сильними антенами стільникового зв'язку.

Людство як вид має надзвичайний потенціал, який тільки-но почали вивчати. Дар творчості, інтуїція, талант – без цих якостей людина не змогла б створити той прекрасний світ, у якому він живе. А що, якщо, оповиті антропогенним електромагнітним смогом, що руйнує тонкі налаштування взаємозв'язків у цьому мінливому світі, ми втратимо свої безцінні дари?

…Світанок. На хиткій межі між сном і неспанням Земля посилає нам своє ранкове привітання на частоті 7,8 герц - частоті альфа-ритму нашого мозку. Що б не відбувалося, ми в резонансі зі своєю Землею та з усім живим на ній.

Джерело - видатні з усіх відомих винаходів Тесла пов'язані з поняттям резонансу. Тесла вважав резонанс ключем до розуміння та управління будь-якою системою, природною чи рукотворною. Кожна система, на його думку, має якусь «власну частоту коливання». Таких частот може бути кілька, вони є свого роду паспортом, посвідченням особистості будь-якої системи. Будь-які системи можуть взаємодіяти, будучи налаштованими одна на одну. Це дуже легко пояснити на прикладі людських відносин: дві людини, які бажають зрозуміти одна одну (тобто «налаштовані в резонанс» одна до одної), витратять набагато менше часу і сил на вирішення якоїсь проблеми, ніж ті самі дві людини, які не бажають розуміти чи просто байдужі. Таким чином, завдання людини – не «брати силою» у Природи її багатства, а вміти налаштовувати свою техніку в резонанс із природними явищами, щоб взаємодія була максимально природною та ефективною. Цим шляхом і йшов сам Тесла, вражаючи сучасників результатами.

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 познайомили вас із найважливішими відомостями про звук. 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

у групі ВКонтакте

А ще – дякую, якщо ти натиснеш на одну з кнопочок «лайків»:

Ви можете залишити коментар до доповіді.

Резонанс - це різке зростання амплітуди вимушених коливань, яке настає при наближенні частоти зовнішнього впливу до деяких значень (резонансних частот), що визначаються властивостями коливальної системи. Збільшення амплітуди відбувається при збігу зовнішньої (збудливої) частоти з внутрішньою (власною) частотою коливальної системи. За допомогою резонансних явищ можна виділити та/або посилити навіть зовсім слабкі гармонійні коливання. Резонанс - явище, що полягає в тому, що коливальна система виявляється особливо чуйною на вплив певної частоти сили, що змушує.

У нашому житті чимало ситуацій, у яких проявляється резонанс. Наприклад, якщо до струнного музичного інструменту піднести дзвінкий камертон, то акустична хвиля, що виходить від камертону, викличе вібрацію настроєної струни на частоту камертону, і вона сама зазвучить.

Ще один приклад, усім відомий експеримент із тонкостінним келихом. Якщо виміряти частоту звуку, з якою дзвенить келих, і, подати звук з такою ж частотою від генератора частот, але з більшою амплітудою, через підсилювач і динамік назад на келих, його стінки входять в резонанс з частотою звуку динаміка і починають вібрувати. Збільшення амплітуди цього звуку до рівня призводить до руйнації келиха.

Біорезонанс: з Стародавньої Русі та до наших часів

Наші православні предки, ще за десятки тисяч років до приходу християнства на Русь добре знали про силу дзвін і намагалися в кожному селі встановити дзвіницю! Завдяки чому в середньовіччі Русь, багата на церковні дзвони, уникала спустошливих епідемій чуми на відміну від Європи (Галії), в якій святі інквізитори на вогнищах спалили не тільки всіх вчених і знаючих, але й усі давні «єретичні» книги, написані на глаголиці, зберігаючи унікальні знання наших предків, у тому числі про силу резонансу!

Таким чином, усі православні знання, накопичені віками, були заборонені, знищені та підмінені новою християнською вірою. При цьому донині дані про біорезонанс знаходяться під забороною. Навіть через століття будь-яка інформація про методи лікування, які не приносять прибуток фармацевтичної промисловості, замовчується. У той час, як щорічний багатомільярдний оборот фармацевтики зростає з кожним роком.

Яскравий приклад застосування резонансних частот на Русі, і це факт, від якого не можна відмовитися. Коли в Москві в 1771 (1771 р.) спалахнула епідемія чуми, Катерина II відправила з Петербурга графа Орлова з чотирма лейб-гвардіями і величезним штатом лікарів. Все життя в Москві було паралізоване. Щоб відігнати «морові пошесті» миряни обкурювали житла, на вулицях розводили величезні багаття, і вся Москва була огорнута чорним димом, бо тоді вважалося, що чума поширюється повітрям, але це мало допомагало. А ще щосили били на сполох (найбільший дзвін) і в усі дзвони меншого розміру протягом 3-х днів поспіль, тому що свято вірили, що дзвін відведе від міста страшну біду. За кілька днів епідемія почала відступати. "У чому секрет?" - Запитайте Ви. Насправді відповідь лежить на поверхні.

А тепер розглянемо відомий приклад використання біорезонансу в наш час. З метою дотримання чистоти експерименту, медики в палату з онкологічними хворими поставили металеві пластини, на кшталт тих, що використовувалися в стародавніх монастирях, щоб дзвони у пацієнтів не могли асоціюватися з церквою, і самонанесення, що народжується мимоволі, не могло суттєво вплинути на результати досліджень. При підборі індивідуальних частот кожного хворого використовувалося безліч титанових пластин різного розміру. Підсумок перевершив усі очікування!

Після впливу акустичних хвиль певної частоти на біологічно активні точки пацієнтів у 30% хворих припинився больовий синдром, і вони змогли заснути, а ще у 30% хворих припинилися болі, які не знімалися найсильнішими наркотичними анестетиками!

В даний час, для досягнення ефекту резонансу немає необхідності використовувати величезні дзвони, а є унікальна можливість застосовувати досягнення науки і техніки, створені електронні прилади на основі частотного резонансу, тобто прилади біорезонансної терапії Smart Life.

Ефект резонансу в біологічних структурах можна викликати за допомогою:

Акустичні хвилі

Механічного впливу

Електромагнітних хвиль видимого та радіочастотного діапазонів

Імпульсів магнітного поля

Імпульсів слабкого електричного струму

Імпульсного теплового впливу

Тобто, ефект резонансу в біологічних структурах можна викликати зовнішнім впливом та будь-якими фізичними явищами, що виникають у процесі біохімічних реакцій усередині живої клітини. Причому кожна біологічна структура має свій унікальний частотний спектр, що супроводжує біохімічні процеси та відгукується на зовнішній вплив, як основної резонансної частоти, так і вищих чи нижчих гармонік від основної частоти, з амплітудою в стільки разів більшою, наскільки ці гармоніки відстоять від частоти основного резонансу .

Як у повсякденному житті можна використовувати силу резонансу, і який метод впливу вибрати?

Акустичні хвилі

Вгадайте, що відбувається із зубним каменем під час його видалення, за допомогою ультразвуку в кабінеті у стоматолога або при руйнуванні каменів у нирках? Відповідь очевидна. І, без сумніву, акустичний вплив – це чудова можливість для лікування організму, якби не одне «але». Дзвони багато важать, дорого коштують, створюють сильний шум і можуть використовуватися виключно стаціонарно.

Магнітне поле

Щоб викликати хоча б якийсь відчутний ефект від впливу пульсуючого магнітного поля на все тіло, необхідно виготовити електромагніт величезних розмірів і масою пару тонн, він займатиме підлогу кімнати і споживатиме дуже багато електроенергії. Інертність системи не дозволить використовувати його на високих частотах. Маленькі електромагніти можна використовувати лише локально через малий радіус дії. Також потрібно точно знати зони на тілі та частоту впливу. Висновок невтішний: використовувати магнітне поле для терапії захворювань економічно не доцільно в домашніх умовах.

Електричний струм

Електромагнітні хвилі

Для методу частотного резонансу можна використовувати радіохвилі з несучою частотою від 10 кГц до 300 МГц, тому що в цьому діапазоні найнижчий коефіцієнт поглинання ЕМВ нашим тілом і воно для них є прозорим, а також електромагнітні хвилі у видимому та інфрачервоному спектрі. Видиме червоне світло з довжиною хвилі від 630 нм до 700 нм проникає в тканини на глибину до 10 мм, а інфрачервоне світло від 800 нм до 1000 нм проникає на глибину до 40 мм і глибше, викликаючи ще й деякий тепловий вплив при гальмах. Для впливу на біологічно активні зони на поверхні шкіри можна використовувати радіохвилі з несучою частотою до ~ 50 ГГц

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.

Як на звук та світлові хвилі впливає принцип резонансу? Що таке вібрації та резонансні частоти об'єктів? Які повсякденні приклади резонансу можна зустріти у житті? Як розбити келих за допомогою голосу? Якщо придивитися, можна побачити приклади резонансу всюди. Ось лише деякі з них несуть користь, а інші – шкоду.

Що таке резонанс?

Ви колись замислювалися над тим, як люди створюють чудову музику за допомогою звичайних келихів? У міру підвищення дії на скло звуковими хвилями воно може навіть розбитися. Світлові хвилі також взаємодіють особливими методами з об'єктами навколо себе. Поведінка звукових та світлових хвиль пояснює, чому люди чують звуки музичних інструментів та розрізняють кольори. Зміни хвильової амплітуди спричинені важливим принципом, що називається резонансом. Прикладами впливу передачі звуку і світла є вібрації.

Звукові хвилі походять від механічних коливань у твердих тілах, рідинах та газах. Світлові хвилі виходять із вібрації заряджених частинок. Об'єкти, заряджені частинки та механічні системи зазвичай мають певну частоту, на якій вони схильні вібрувати. Це називається їх резонансною частотою або їх власною частотою. Деякі об'єкти мають дві чи більше резонансних частот. Приклад резонансу: коли ви їдете по вибоїстій дорозі, і ваш автомобіль починає стрибати вгору і вниз - це приклад коливання вашої машини на своїй резонансній частоті, вірніше резонансна частота амортизаторів. Ви можете помітити, що коли ви їдете в автобусі, частота відскоку трохи повільніша. Це тому, що амортизатори шини мають нижчу резонансну частоту.

Коли звукова або світлова хвиля ударяє об'єктом, вона вже вібрує на певній частоті. Якщо ця частота буде відповідати резонансній частоті об'єкта, це призведе до того, що ви отримаєте резонанс. Він виникає, коли амплітуда коливань об'єкта збільшується з допомогою відповідних коливань іншого об'єкта. Цей зв'язок важко уявити без прикладу.

Резонанс та світлові хвилі

Взяти, наприклад, типову світлову хвилю (це потік білого світла, що походить від сонця) і направити її на темний об'єкт, нехай це буде чорна змія. Молекули у шкірі плазуна мають набір резонансних частот. Тобто електрони в атомах прагнуть вібрувати на певних частотах. Світло, що спускається з сонця, - біле світло, що має багатоскладову частоту.

Сюди входять червоний та зелений, синій та жовтий, помаранчевий та фіолетовий. Кожна із цих частот вражає шкіру змії. І кожна частота призводить до вібрації іншого електрона. Жовта частота резонує з електронами, резонансна частота жовта. Синя частота резонує із електронами, резонансна частота яких синя. Таким чином, шкіра змії загалом резонує із сонячним світлом. Змія здається чорною, тому що її шкіра поглинає всі частоти сонячного світла.

Коли світлові хвилі резонують з об'єктом, вони змушують електрони вібрувати з великими амплітудами. Світлова енергія поглинається об'єктом, і людському оку не видно, що світло повертається назад. Об'єкт виглядає чорним. Що робити, якщо об'єкт не поглинає сонячне світло? Що якщо жоден із його електронів не резонує зі світловими частотами? Якщо резонанс не виникає, ви отримаєте передачу, пропускання світлових хвиль через об'єкт. Скло здається прозорим, тому що воно не поглинає сонячне світло.

Світло все ще викликає вібрації електронів. Але оскільки вона не відповідає резонансним частотам електронів, коливання дуже малі і проходять від атома до атома через весь об'єкт. Об'єкт без резонансу матиме нульове поглинання та 100% передачу, наприклад, скло або вода.

Музика та резонанс звукових хвиль

Резонанс для звуку працює так само, як для світла. Коли один об'єкт вібрує на частоті другого об'єкта, перший змушує другий вібрувати з високою амплітудою. Так виникає акустичний резонанс. Прикладом є гра на будь-якому музичному інструменті. Акустичний резонанс відповідає за музику, створювану трубою, флейтою, тромбоном та багатьма іншими інструментами. Як працює це дивовижне явище? Можна навести приклад резонансу, що має позитивний ефект.

Пройшовши до собору, де грає органна музика, можна побачити, що вся стіна заповнена величезними трубами всіх розмірів. Деякі з них дуже короткі, інші доходять до стелі. Навіщо потрібні всі труби? Коли починає грати чудова музика, можна зрозуміти, що звук походить від труб, він дуже гучний і, здається, заповнює весь собор. Як такі труби можуть звучати так голосно? У всьому винен акустичний резонанс, і він не єдиний інструмент, який використовує це дивовижне явище.

Створення звукових хвиль

Щоб зрозуміти, що відбувається, вам спочатку потрібно трохи дізнатися про те, як звук проходить повітрям. Звукові хвилі утворюються, коли щось викликає вібрацію молекул повітря. Потім ця вібрація переміщається, як хвиля, назовні у всіх напрямках. Коли хвиля проходить повітрям, є області, де молекули стискаються ближче один до одного, і області, де молекули витягуються далі один від одного. Відстань між послідовними стисненнями чи розширеннями відома як довжина хвилі. Частота вимірюється в одиницях Герца (Гц), а один Герц відповідає одній швидкості стиснення хвилі за секунду.

Люди можуть виявляти звукові хвилі із частотами від 20 до 20 000 Гц! Однак вони не всі звучать однаково. Деякі звуки високі та скрипучі, у той час як інші низькі та глибокі. Те, що ви насправді чуєте, це різниця в частоті. Отже, як частота відноситься до довжини хвилі? Швидкість звуку дещо змінюється залежно від температури повітря, але зазвичай вона становить близько 343 м/с. Оскільки всі звукові хвилі рухаються з однаковою швидкістю, частота буде зменшуватися зі збільшенням довжини хвилі і зростатиме при зменшенні довжини хвилі.

Шкідливий резонанс: приклади

Часто люди приймають мостобудування та безпеку як належне. Однак іноді відбуваються катастрофи, які змушують змінити свою думку. 1 липня 1940 року у Вашингтоні було відкрито міст Такома-Нерроуз. Це був підвісний міст, третій за величиною у світі для свого часу. Під час будівництва міст отримав прізвисько «Галопування Герті» через те, як він хитався і згинався на вітрі. Це хвилеподібне коливання, зрештою, призвело до його краху. Міст звалився 7 листопада 1940 року під час бурі, всього через чотири місяці його експлуатації. Перш ніж дізнаватися про резонансну частоту і те, що це пов'язано з катастрофою мосту Такома-Нерроуз, спочатку потрібно зрозуміти щось, зване гармонійним рухом.

Коли у вас є об'єкт, що періодично вагається назад і вперед, ми говоримо, що він відчуває гармонійний рух. Один прекрасний приклад прояву резонансу, що відчуває гармонійний рух, - вільна пружина підвісна з прикріпленою до неї масою. Маса змушує пружину розтягуватися вниз, поки врешті-решт пружина не стискається назад, щоб повернутися до своєї первісної форми. Цей процес продовжує повторюватися, і ми говоримо, що пружина знаходиться в гармонійному русі. Якщо ви подивіться відео з мосту Такома-Нерроуз, то побачите, що він вагався, перш ніж звалився. Він проходив гармонійний рух, як пружина із прикріпленою до неї масою.

Резонанс та гойдалка

Якщо ви один раз штовхнете свого друга на гойдалках, вони кілька разів будуть робити коливальні рухи і через деякий час зупиняться. Ця частота, коли коливання мимоволі коливається, називається власною частотою. Якщо ви даєте поштовх кожен раз, коли ваш друг повертається до вас, він буде гойдатися все вище та вище. Ви натискаєте з частотою, аналогічною до власної частоти, і амплітуда коливань зростає. Така поведінка називається резонансом.

Безперечно, це один із прикладів корисного резонансу. Серед інших нагрівання їжі в мікрохвильовій печі, антена на радіо, приймає радіосигнал, гра на флейті.

Насправді є також безліч поганих прикладів. Руйнування скла високим тональним звуком, руйнування мосту легким вітерцем, обвалення будівель при землетрусах - все це приклади резонансу в житті, які не просто шкідливі, а й небезпечні, залежно від сили впливу.

Руйнівна сила звуку

Багато хто напевно чув про те, що винний келих можна розбити голосом оперної співачки. Якщо ви трохи ударите келих ложкою, він «дзвонитиме», як дзвін, на своїй резонансній частоті. Якщо на скло чиниться звуковий тиск на певній частоті, воно починає вібрувати. У міру того як стимул продовжується, вібрація в келиху накопичується доти, доки він не зруйнується, коли будуть перевищені механічні межі.

Приклади корисного та шкідливого резонансу всюди. Мікрохвилі оточують усе навколо, від мікрохвильової пічки, яка розігріває їжу без застосування зовнішнього тепла, до вібрацій у земній корі, що призводять до руйнівних землетрусів.

Кожен із вас знайомий з таким звуковим явищем, як луна. Відлуння утворюється в результаті відбиття звуку від різних перешкод - стін великого порожнього приміщення, лісу, склепінь високої арки в будівлі (рис. 81).

Рис. 81. Відображення звукових хвиль

Але чому ми не чуємо відлуння у невеликій квартирі? Адже і в ній звук повинен відбиватися від стін, стелі, підлоги.

Виявляється, відлуння чутно лише у тому випадку, коли відбитий звук сприймається окремо від сказаного. Для цього потрібно, щоб проміжок часу між впливом цих двох звуків на барабанну перетинку вуха становив щонайменше 0,06 с.

Визначимо, через який час після вимовленого вами короткого вигуку відбитий від стіни звук досягне вашого вуха, якщо ви стоїте на відстані 3 м від цієї стіни.

Звук повинен пройти відстань до стіни та назад, тобто 6 м, поширюючись зі швидкістю 340 м/с. Для цього буде потрібно час t = s/v, тобто.

В даному випадку інтервал між двома сприйманими вами звуками - вимовленим і відбитим - значно менший за той, який необхідний, щоб почути відлуння. Крім того, утворенню луни в кімнаті перешкоджають меблі, штори та інші предмети, що знаходяться в ній, частково поглинають відбитий звук. Тому в такому приміщенні мова людей та інші звуки не спотворюються луною і звучать чітко та розбірливо.

Великі напівпорожні приміщення з гладкими стінами, підлогою та стелею мають властивість дуже добре відображати звукові хвилі. У такому приміщенні завдяки набіганню попередніх звукових хвиль на наступні виходить накладення звуків і утворюється гул. Для покращення звукових властивостей великих залів та аудиторій їх стіни часто облицьовують звукопоглинаючими матеріалами.

На властивості звуку відбиватися від гладких поверхонь засновано дію рупора - труби, що розширюється, зазвичай круглого або прямокутного перерізу (рис. 82). При використанні рупора звукові хвилі не розсіюються на всі боки, а утворюють вузьконаправлений пучок, за рахунок чого потужність звуку збільшується і він поширюється на більшу відстань.

Рис. 82. Принцип дії рупора

Нагадаємо, що при резонансі амплітуда вимушених механічних коливань, що встановилися, досягає найбільшого значення в тому випадку, якщо частота змушує сили збігається з власною частотою коливальної системи.

Наприклад, досить важкий нитковий маятник (рис. 83) можна сильно розкачати, якщо періодично дмухати на нього (навіть дуже слабким струменем) у напрямку його руху з частотою, що дорівнює його власній частоті.

Рис. 83. Приклад механічного резонансу

Резонанс може бути викликаний дією звукових хвиль. Щоб спостерігати це, проробимо наступний досвід. Візьмемо два камертони А і В з однаковими власними частотами та поставимо їх поруч, звернувши отвори ящиків, на яких вони укріплені, назустріч один одному (рис. 84). Б'ючи гумовим молоточком по камертону А, приведемо його в коливання, а потім приглушимо пальцями. Ми почуємо звук, що видається камертоном, який відгукується на коливання камертону А подібно до того, як у дослідах з маятниками (див. рис. 68, б) маятник 1 відгукувався на коливання маятника 3.

Рис. 84. Устаткування для демонстрації звукового резонансу

Змінимо період коливання камертону В, надівши на його ніжку невелику муфточку С. Повторивши досвід, виявимо, що тепер камертон вже не відгукується на коливання камертону А.

Звукові хвилі, утворені камертоном А, дійшовши до камертону, збуджують у ньому вимушені коливання. Оскільки власні частоти коливань камертонів однакові, то має місце резонанс: камертон коливається з найбільшою можливою амплітудою і видає звук. Але за наявності на камертоні В муфти С його власна частота коливань змінюється, і амплітуда коливань зменшується настільки, що ми не почуємо звуку.

Ящики, на яких встановлені камертони, сприяють посиленню звуку та найбільш повній передачі енергії від одного камертону до іншого. Посилення звуку відбувається рахунок коливань самого ящика і особливо стовпа повітря у ньому. Розміри ящика підбирають таким чином, щоб власна частота повітряного стовпа в ньому збігалася із частотою коливань камертону. При цьому стовп повітря коливається в резонанс з камертоном, т. Е. Амплітуда його коливань і відповідно гучність звуку досягають найбільших значень.

Камертон, забезпечений таким ящиком (резонатором), видає гучніший, але менш тривалий звук (за законом збереження енергії).

У музичних інструментах роль резонаторів виконують частини корпусів. Наприклад, у гітарі, скрипці та інших подібних їм струнних інструментах резонаторами служать деки, які посилюють звуки, що видаються струнами, і надають звучанню інструменту характерного для нього забарвлення - тембр. Тембр звуку залежить не тільки від форми та розміру резонатора, а й від того, з якого дерева він виготовлений, і навіть від складу лаку, що покриває його. Тембр визначається також матеріалом, з якого зроблена струна, і тим гладка вона або кручена.

Резонатори є у голосовому апараті людини. Джерела звуку в голосовому апараті – голосові зв'язки. Вони коливаються завдяки продування повітря з легень і збуджують звук, основний тон якого залежить від їхнього натягу. Цей звук багатий на обертони. Гортань посилює ті з обертонів, частота коливань яких близька до її частоті. Далі звукові хвилі потрапляють у ротову порожнину. Для виголошення кожної голосної необхідно особливе положення губ, язика та певна форма резонаторної порожнини у роті.

Запитання

Яка причина утворення луни? Чому луна не виникає в маленькій, заповненій меблями кімнаті? Відповіді обґрунтуйте.
Як можна покращити звукові властивості великої зали?
Чому під час використання рупора звук поширюється на більшу відстань?
Наведіть приклади прояву звукового резонансу, які не згадані в тексті параграфа.
Навіщо камертони встановлюють на резонаторних ящиках? Яким є призначення резонаторів, що застосовуються в музичних інструментах?
Що є джерелом голосу людини?

Завдання

Придумайте, за допомогою яких предметів (крім камертонів на ящиках резонаторних) можна продемонструвати явище звукового резонансу. Зробіть придуманий вами досвід, опишіть ваші дії та результати, що спостерігаються.

Підсумки глави. Найголовніше

Нижче наведено фізичні поняття та їх визначення. Послідовність викладу визначень відповідає послідовності понять.

Перенесіть у зошит назви понять і квадратні дужки впишіть порядковий номер визначення, відповідного даному поняттю.

Періодичні механічні коливання;
вільні коливання;
коливальні системи;
власні коливання;
вимушені коливання;
резонанс;
хвилі;
звук.

Коливання, що відбуваються завдяки початковому запасу енергії.
Повторювані через рівні проміжки часу руху, у яких тіло багаторазово й у різних напрямах проходить положення рівноваги.
Системи тіл, здатні здійснювати вільні коливання.
Обурення, що розповсюджуються у просторі, віддаляючись від місця їх виникнення.
Пружні хвилі з діапазоном частот від 16 до 20000 Гц.
Вільні коливання без тертя та опору повітря.
Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань системи при наближенні частоти сили, що змушує, до власної частоти цієї системи.
Коливання, що здійснюються тілом під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється.

Перевір себе

Взаємозв'язок між періодом і частотою коливань представлена рівнянням
У процесі коливань маятника прискорення його руху
Звук тим вищий, чим більше

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.