Повідомлення на тему резонанс з фізики. Резонанс - це фізичне явище

Анімація

Опис

Резонансом (Р) називається явище зростання амплітуди вимушених коливань у будь-якій коливальній системі при наближенні частоти періодичного зовнішнього впливудо однієї із частот власних коливаньсистеми.

Характер Р суттєво залежить від властивостей коливальної системи. Найпростіший випадокР настає за періодичному вплив на лінійну систему, тобто. систему з параметрами, які не залежать від стану самої системи. прикладом лінійної системиз одним ступенем свободи є маса m, підвішена на пружині і яка знаходиться під дією гармонійної сили F = F 0 cos (w t ) (рис. 1).

Пружинний маятник - механічна коливальна системаз одним ступенем свободи

Рис. 1

Рівняння руху такої системи має вигляд:

ma + bv + kx = F 0 cos (w t ), (1)

де x - усунення маси m від положення рівноваги;

v = dx / dt – її швидкість;

a = d 2 x / dt 2 – прискорення;

k – коефіцієнт пружності пружини;

b – коефіцієнт тертя.

Примітка: аналогічне рівняння має місце і для коливальних процесів електричного ланцюга, Що складається з послідовно з'єднаних індуктивності L , ємності С опору R і джерела електрорушійної сили E, яка змінюється за гармонійним законом.

Рішення рівняння (1), що відповідає встановленим вимушеним коливанням, має вигляд:

x = [ F 0 ¤ (k ((1 - w 2 ¤w 0 2 )2 + (b 2 ¤ m 2 )(w 2 ¤w 0 4 ))1/2 ]cos (w t + j ), (2 )

де w 0 - Власна частота системи, при малих коливаннях w 0 2 = k ¤ m;

Початкова фаза j може бути знайдена з виразу tg j = (b w )/(k (1- w 2 ¤w 0 2 )).

При повільному впливі (w<< w 0 ) амплитуда смещений x 0 » F 0 ¤ k , т.е. смещение массы соответствует статическому растяжению пружины. С увеличением частоты воздействия амплитуда х 0 растет, и когда w приближается к значению частоты собственных колебаний системы w 0 , амплитуда вынужденных колебаний достигает максимума, т.е. наступает Р. Далее, с дальнейшим увеличением w , амплитуда монотонно убывает и при w ® Ґ амплитуда стремится к нулю. Амплитуду колебаний при Рможно найти из (2) при условии:

w = w 0 x 0 = F 0 ¤ (b w 0 ) = F 0 Q ¤ k ,

де Q – добротність коливальної системи.

Таким чином, амплітуда коливань приР тим більше, чим менше загасання (тертя b) у системі (рис. 2).

Залежність амплітуд зсувів від частоти зовнішнього впливу при різних значеннях коефіцієнта тертя b

Рис. 2

Примітка:

bi< bi-1 .

При Р встановлюються такі фазові співвідношення між власними коливаннями системи та зовнішньою гармонійною силою, що фаза зовнішньої сили збігається з фазою швидкості власних коливань. З енергетичної точки зору це означає, що в систему надходить найбільша потужність.

Якщо лінійна система піддається негармонійному зовнішньому впливу, то Р настає лише тоді, коли в спектрі частот цього впливу містяться гармоніки з частотою, близькою до власної частоти системи. У лінійній системі з декількома ступенями свободи, власні коливання якої можуть відбуватися з різними частотами (власні, нормальні частоти), Р настає при збігу частоти зовнішнього впливу з кожною зі своїх частот. За наявності в системі двох власних частот, що домінують, резонансна крива має характерний "двогорбий" вид (рис. 3а); в коливальних системах, що складаються з набору ланок із різних матеріалів різної форми та перерізів, а також з різними контактними умовами, резонансні криві мають дуже складний вигляд (рис. 3б).

Види резонансних кривих у коливальних системах за наявності двох домінуючих власних частот (а) та у складних системах (b)

Рис. 3

Тимчасові характеристики

Час ініціації (log to від -5 до 3);

час існування (log tc від -3 до 5);

Час деградації (log td від -3 до 3);

Час оптимального прояву (log tk від –1 до 1).

Діаграма:

Технічні реалізації ефекту

Технічна реалізація ефекту

Для спостереження механічного резонансу достатньо, наприклад, розігнатися в легковому автомобілі по дорозі з "гребінкою" від нуля до приблизно 60 км/год. При цьому амплітуда коливання підвіски (а відповідно і гуркіт кузова) зростатиме приблизно до 40 км/год і зменшуватиметься при подальшому зростанні швидкості.

Це відбувається внаслідок того, що приблизно при сорока частота ударів колеса по гребінці збігається з резонансною частотою підвіски. Останню можна обчислити, поміривши характерну відстань між гребенями гребінки та визначивши швидкість, що супроводжується максимальною вібрацією, по спідометру.

Застосування ефекту

У дефектоскопії на явищі Р засновано принцип дії дефектоскопа-товщиноміру (рис. 4).

Блок-схема резонансного дефектоскопа-товщиноміру

Рис. 4

Позначення:

1 - генератор частотно-модульованих коливань;

2 – генератор розгортки;

3 – фільтр;

4 – підсилювач;

6 – шукач;

7 - контрольований виріб;

8 – резонансні піки.

П'єзокерамічний перетворювач, що збуджується частотно-модульованим генератором, випромінює у виріб УЗ-хвилі частоти, що безперервно змінюється. У моменти резонансу, коли на товщині виробу укладається ціла кількість напівхвиль, в об'єкті, що досліджується, різко зростає амплітуда коливань; резонансні піки з'являються на екрані осцилографа або дисплеї.

В архітектурі та будівництві явище Р враховують при розрахунку акустичних характеристик приміщень (концертних залів тощо). У цьому основними показниками є забезпечення з мінімумом енергетичних витрат достатньої сили (інтенсивності) звуку заданому спектрі частот і час реверберації звуку, тобто. тривалість звучання після припинення дії джерела звуку, що визначається добротністю коливальної системи. Використовуючи явище Р, можна гасити небажані коливання, забезпечувати звукоізоляцію. Для цього в певних частинах споруд, виконаних у вигляді об'ємних резонаторів (в так звані горлі резонатора), додатково поміщають шар звукопоглинаючого матеріалу. Також для ефективного поглинання звуку застосовують облицювальні плити з резонансними порожнинами.

Найбільш широко явище Р використовується у радіотехніці. Як було зазначено вище, існує пряма аналогія між механічним Р та Р в електричних ланцюгах. Найпростіший коливальний контур (рис. 5), що складається з активного опору, ємності та індуктивності, має власну частоту електромагнітних коливань W 0 .

Електромагнітний коливальний контур

Рис. 5

Якщо в такий контур включено джерело періодичної е.р.с. з частотою W , то Р настає за W ® W 0 . Це використовується для налаштування радіоприймачів на несучі частоти різних радіостанцій шляхом зміни власної частоти контуру (зазвичай регулюють величину ємності).

Слід зазначити, що у будівництві, машинобудуванні, авіації та інших областях техніки механічний Р відносять до шкідливих явищ, оскільки виникнення резонансних умов у ряді випадків може викликати небажані коливання споруд та конструкцій з великою амплітудою; деформації та усунення при цьому можуть досягати критичних значень. Виникають суттєво нелінійні ефекти, які можуть призвести навіть до руйнування системи.

Резонанс - явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань, що настає при наближенні частоти зовнішнього впливу до деяких значень (резонансних частот), які визначають властивості системи. Збільшення амплітуди - це лише наслідок резонансу, а причина - збіг зовнішньої (збудливої) частоти з внутрішньою (власною) частотою коливальної системи.За допомогою явища резонансу можна виділити та/або посилити навіть дуже слабкі періодичні коливання. Резонанс - явище, що полягає в тому, що при певній частоті сила, що змушує, коливальна система виявляється особливо чуйною на дію цієї сили.

Будь-яка хутряна пружна система має свою частоту коливань. Якщо якась сила виведе цю систему з рівноваги, а потім перестане діяти, то система деякий час коливатиметься біля свого положення рівноваги. Частота цих коливань і називається своєю частотою коливань системи. Швидкість її згасання залежить від пружних властивостей і маси, від сил тертя і залежить від сили, що викликала коливання.

Якщо сила, що виводить хутро систему з рівноваги, буде змінюватися з частотою, що дорівнює частоті власної частотою коливань, то на деформацію одного періоду накладатиметься деформація наступного періоду і система розгойдуватиметься з зростаючою амплітудою,теоретично до безкінечності. Природно, що конструкція не зможе протистояти такій деформації, що все зростає, і буде руйнуватися.

Збіг частоти власних коливань із частотою зміни електродинамічної сили називається механічним резонансом.

Повний резонанс спостерігається при точному збігу частоти коливань сили з частотою власних коливань конструкції та рівних позитивних та негативних амплітудах, частковий - при неповному збігу частот та нерівних амплітудах.

Щоб уникнути хутра резонансунеобхідно, щоб частота власних коливань конструкції відрізнялася частоти зміни електродинамічної сили.Краще, коли частота власних коливань лежить нижче за частоту зміни сили. Підбір необхідної частоти своїх коливань можна проводити різними методами. Для шин, наприклад, - зміною довжини вільного прольоту

В разі, коли частота змінної складової ЕДУ близька до своєї частоти механічних коливань, навіть при порівняно невеликих зусиллях можливе руйнування апарату внаслідок явищ резонансу.

Шини під впливом ЕДУ роблять вимушені коливання як стоячих хвиль. Якщо частота вільних коливань вище 200 Гц, розрахунок зусиль проводиться для статичного режиму без урахування резонансу.

Якщо частота вільних коливань шини під час конструювання прагнуть виключити можливість резонансу рахунок вибору довжини вільного прольоту шини.

При гнучкому кріпленні шини власна частота механічних коливань знижується. Енергія ЕДУ частково витрачається на деформацію струмопровідних частин, частково на їх переміщення і пов'язаних з ним гнучких кріплень. При цьому хутро. Напруги у матеріалі шин зменшуються

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.

З курсу навчання у школі та інституті багато хто виніс визначення резонансу, як явища поступового чи різкого зростання амплітуди коливань деякого тіла, коли до нього прикладається зовнішня сила з певною частотою. Проте відповісти практичними прикладами на запитання, що таке резонанс, можуть мало хто.

Фізичне визначення та прив'язка до об'єктів

Резонанс, згідно з визначенням, можна зрозуміти як досить простий процес:

• існує тіло, що знаходиться в стані спокою або вагається з певною частотою та амплітудою;
• на нього діє зовнішня сила із власною частотою;
• у разі коли частота зовнішнього впливу збігається з власною частотою розглянутого тіла, виникає поступове або різке зростання амплітуди коливань.

Проте, практично явище у вигляді набагато складнішої системи. Зокрема, тіло може бути не як єдиний об'єкт, а складна структура. Резонанс виникає при збігу частоти зовнішньої сили з так званою сумарною ефективною коливальною частотою системи.

Резонанс, якщо його з позицій фізичного визначення, неодмінно має призводити до руйнації об'єкта. Проте, практично існує поняття добротності коливальної системи. Залежно від її значення, резонанс може призводити до різних ефектів:

• при низькій добротності система не здатна великою мірою зберігати коливання, що надходять ззовні. Тому спостерігається поступове підвищення амплітуди власних коливань до рівня, коли опір матеріалів чи сполук не призводить до стабільного стану;
• висока, близька до одиниці добротність - найнебезпечніше середовище, у якому резонанс призводить, найчастіше, до незворотних наслідків. Серед них може бути як механічне руйнування об'єктів, так і виділення великої кількості тепла на рівнях, які можуть призвести до займання.

Також резонанс виникає не тільки при дії зовнішньої сили коливального характеру. Ступінь і характер реакції системи, великою мірою, відповідає за наслідки дії спрямованих ззовні сил. Тому резонанс може виникнути в різних випадках.

Хрестоматійний приклад

Найвживаніший приклад, яким описується явище резонансу - це випадок, коли рота солдатів йшла мостом і обрушила його. З фізичної точки зору в цьому явищі немає нічого надприродного. Крокуючи в ногу, солдати викликали вагання, які збіглися зі своєю ефективною коливальною частотою системи моста.

Безліч людей посміювалася з цього прикладу, вважаючи явище лише теоретично можливим. Але здобутки технічного прогресу довели теорію.

У мережі існує реальне відео поведінки пішохідного мосту в Нью-Йорку, який постійно сильно розгойдувався і мало не звалився. Автор творіння, яке власною механікою підтверджує теорію, коли резонанс виникає від руху людей, навіть хаотичного – французький архітектор, автор підвісного мосту Віадук Мійо, споруди із найвищими опорними колонами.

Інженеру довелося витратити багато часу та грошей, щоб знизити добротність системипішохідного мосту до прийнятного рівня і досягти того, щоб не було значних коливань. Приклад роботи над цим проектом – це ілюстрація того, як наслідки резонансу можна приборкати в системах з низькою добротністю.

Приклади, які повторюють багато

Ще один приклад, який навіть бере участь в анекдотах – це розколювання посуду звуковими коливаннями, від занять на скрипці та навіть співу. На відміну від роти солдатів цей приклад неодноразово спостерігався і навіть спеціально перевірявся. Дійсно, резонанс, що виникає при збігу частот, призводить до розколювання тарілок, келихів, чашок та іншого посуду.

Це приклад розвитку процесу за умов системи з високою добротністю. Матеріали, з яких виготовлений посуд - це досить пружні середовища, В яких коливання поширюються з малими згасаннями. Добротність таких систем дуже висока, і хоча смуга збігу частот є досить вузькою, резонанс призводить до сильного збільшення амплітуди, внаслідок чого матеріал руйнується.

Приклад дії постійної сили

Ще один приклад, де виявилася руйнівна дія - це рухомий Такомський підвісний міст. Даний випадок та відео хвилеподібного розгойдування конструкції навіть рекомендовано до перегляду на факультетах фізики університетів як найхрестоматійніший приклад такого явища резонансу.

Руйнування підвісного мосту під дією вітру - це ілюстрація того, як відносно постійна сила викликає резонанс. . Відбувається таке:

• порив вітру відхиляє частину конструкції – зовнішня сила сприяє виникненню коливань;
• при зворотному русі конструкції опору повітря недостатньо, щоб погасити коливання або знизити його амплітуду;
• внаслідок пружності системи починається новий рух, який посилює вітер, що продовжує дмухати в одному напрямку.

Це приклад поведінки комплексного об'єкта, де резонанс розвивається і натомість високої добротності і значної пружності, під впливом постійного впливу сили щодо одного напрямі. На жаль, Такомський міст – це не єдиний приклад обвалення конструкцій. Випадки спостерігалися і спостерігаються у всьому світі, в тому числі і в Росії.

Резонанс може застосовуватись і в контрольованих, чітко визначених умовах. Серед безлічі прикладів можна легко згадати радіоантени, навіть розроблювані любителями. Тут застосовується принцип резонансу при поглинанні енергії електромагнітної хвилі. Кожна система розробляється під окрему смугу частот, у якій найефективніша.

Установки МРТ застосовують інший тип явища – різне поглинання коливань клітинами та структурами людського тіла. Процес ядерного магнітного резонансу використовує випромінювання різної частоти. Резонанс, що виникає у тканинах, призводить до легкого розпізнавання конкретних структур. Змінюючи частоту, можна досліджувати ті чи інші області, вирішувати різноманітні завдання.

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 злегка вдарите 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.