Презентація на тему: "Резонанс: прояви і застосування"

Резонанс: прояви і застосування. Підготував Цяк Іван

Що таке резонанс?Резонанс - явище різкого збільшення амплітуди вимушених коливань, якщо частота зовнішньої сили, що періодично змінюється, збігається з власною частотою коливань системи. Для багатьох залишається загадкою суть і практичне застосування явища, пов’язаного з різким збільшенням амплітуди коливань при збігу частот (власної і зовнішнього впливу), навіть якщо вони знають поняття. І щоб розібратися в цьому, потрібно чітко усвідомити поняття процесу коливань, а також мати уявлення про фізичні величини, що їх характеризують.

Коливання: частота і амплітуда. Поява резонансу нерозривно пов’язане з коливаннями, тобто з процесом змін стану якої-небудь системи, який повторюється в часі і відбувається близько певної точки рівноваги, періодично відхиляючись то в сторону зі знаком «мінус», то в протилежну — зі знаком «плюс».!При цьому не важлива природа самої коливальної системи і місце її знаходження, а важливо лише наявність вихідної точки стану, до якої вона повертається через строго певний проміжок часу. Основними характеристиками коливальної системи є амплітуда (максимальне відхилення від положення рівноваги) і частота (кількість повторень рухів системи за одиницю часу). І ці величини відіграють головну роль як в описі самого явища, так і в умові резонансу

Типи резонансу. Прояви резонансу мають певні специфічні особливості в різних системах і тому розрізняють різні його типи:механічний резонансакустичний резонанселектромагнітний резонансядерний магнітний резонанселектронний спіновий резонанселектронний парамагнітний резонанспараметричний резонанс. Основні властивості резонансних явищ найпростіше ілюструються при аналізі механічного резонансу в системах з різними властивостями.

Суть явища резонансу. Вперше застосування резонансу у вигляді прикладу зустрічається в роботах італійського вченого і техніка Торрічеллі, що жив в середні століття. А точне визначення цьому явищу, пов’язаному з вимушеними коливаннями, першим дав Галілео Галілей.

Механічний аспект. Як найпростіший приклад для опису механічного резонансу можна привести розгойдування дитячих гойдалок. Амплітудою в цьому випадку буде найбільша висота підйому гойдалки над рівнем горизонту, а частотою — кількість проходжень найнижчої точки за 1 секунду. Запущені гойдалки, являючи собою коливальну систему, мають власну частоту і початкову амплітуду, збільшити яку можна досить легко, якщо штовхати гойдалку з частотою, що збігається з їх власною.

Механічний аспект. Зусилля, що прикладаються в цьому випадку, не мають вирішального значення. На збільшення висоти підйому буде впливати, більшою мірою, збіг частот коливань гойдалок і періодичності зовнішнього впливу. Якщо поштовхи виробляти не періодично або з частотою, що сильно відрізняється від періодичності рухів самої системи, то результат буде абсолютно протилежним. Гойдалки не збільшать амплітуду розгойдувань, а навпаки, коливання системи будуть загасати, що в результаті призведе до повної зупинки в положенні рівноваги.

Де спостерігається резонанс?

Резонанс, який допомагає. Приклади, коли резонанс нам допомагає: В електроніці коливальний контур, що складається з ємності та індуктивності, використовується в елементах настроювання та електричних фільтрах. В космосі, коли два небесні тіла, які мають  періоди обертання, що відносяться один з одним як невеликі цілі числа, роблять регулярний гравітаційний вплив одне на одного, який може стабілізувати їхні орбіти (орбітальний резонанс у небесній механіці). Було розроблено резонансний метод руйнування льоду, енергоємність якого в кілька разів менша від енергоємності традиційного руйнування крижаного покриву за допомогою криголамів і криголамного начіпного обладнання.

Резонанс, який допомагає. Також допомагає електромагнітний резонанс, використовується в різних електронних пристроях, де є ланцюги з так званим коливальним контуром, що складається з котушки індуктивності і конденсатора. Виникає він при певній частоті, дозволяючи енергії магнітного поля індуктивного елемента перетворюватися в енергію електричного поля конденсатора і назад. Механізм такого явища полягає в тому, що змінне магнітне поле котушки індуктивності створює електричний струм для зарядки конденсатора, а при зворотному процесі, коли конденсатор розряджається, струм генерує магнітне поле в котушці. Такий процес може повторюватися необмежену кількість разів, подібно механічному маятнику.

Небажаний резонанс. На жаль, у багатьох випадках резонанс абсолютно небажаний. Відомо, що військовим підрозділам під час проходження мостів приписується "збивати ногу" і йти не стройовим, а вільним кроком. Гіркий досвід деяких катастроф навчив військовослужбовців у подібних ситуаціях відходити від багатовікових традицій. Так, 12 квітня 1831 року зруйнувався Бротонський підвісний міст через ріку Ірвелл в Англії, коли по ньому йшов військовий загін. Частота кроків воїнів, що крокували в ногу, збіглася з частотою власних коливань мосту, через що їх амплітуда стрімко зросла, ланцюги обірвалися, і міст завалився в ріку. Саме цей випадок, у результаті якого два десятки людей було травмовано, сприяв прийняттю в британській армії правила "іти не в ногу" під час проходження військами мостів.

Небажаний резонанс. Причиною руйнування мостів через резонанс можуть стати не лише пішоходи, але й залізничні потяги. Для виключення резонансу мосту потяг має рухатися або повільно, або на максимальній швидкості (згадайте, як сповільнюють хід потяги метрополітену під час їх руху через міст Метро в Києві). Це зазвичай робиться для виключення збігу частоти ударів коліс по стиках рейок із власною частотою коливань мосту (з цієї ж причини ділянку рейок на мосту часто виконують суцільною, тобто без стиків).

Небажаний резонанс. З резонансом можна стикнутися не тільки на суші, але й на морі та в повітрі. Так, за деяких частот обертання гребного вала в резонанс входили навіть кораблі. А на зорі розвитку авіації деякі авіаційні двигуни спричинювали настільки сильні резонансні коливання елементів літака, що він повністю руйнувався в повітрі. Причиною резонансу елементів літальних апаратів та їх руйнування може стати й флатер – поєднання самозбудних незгасаючих згинальних і крутильних автоколивань елементів конструкції (головним чином крила літака або несучого гвинта вертольота). Одним зі шляхів боротьби з цим явищем є використання так званих протифлатерних вантажів.

Кінець. Як бачимо, резонанс може бути досить підступним, але приборкати його й повернути на користь людині цілком під силу!