Проєкт з фізики "Вимушені коливання. Резонанс"

ВИМУШЕНІ КОЛИВАННЯ. РЕЗОНАНС

Проект з фізики. 9 клас

МЕТА: формувати знання учнів про вимушені коливання, резонанс; розглянути негативні прояви резонансу; визначити сферу застосування резонансу; з’ясувати вплив резонансу на живі організми; розвивати дослідницькі вміння, спостережливість, логічне мислення, вміння робити висновки; формувати навички відбирати необхідну інформацію, аналізувати, систематизувати її, робити висновки; виховувати віру кожного учасника проекту у свій               успіх, сприяти  самореалізації учнів.

Актуальність: учні потребують можливості реалізувати себе, свій потенціал в різних сферах діяльності, виявити вміння застосовувати раніше набуті знання в нових ситуаціях.

Рівень: класний

Термін: місяць

Учасники проекту: учні 9 класів, учителі фізики.

Очікувані результати: розвиток творчого потенціалу колективу; з’ясування  учнями своїх здібностей; прищеплення навичок самостійної діяльності і  вміння  працювати х додатковими джерелами інформації.

Етапи проекту та їх зміст

І етап. Ознайомлення з структурою проекту

ІІ етап. Організація діяльності

ІІІ етап. Робота над проектом

ІV. Презентація проектів

Хід уроку – захисту проектів

Обладнання: комп’ютер, мультимедійний проектор, презентація, камертони, математичний маятник, пружинний маятник, посудина з водою.

Учитель.  Ми продовжуємо вивчати коливальні рухи. Тема «Коливання» також  опирається на ваші знання з математики про тригонометричні функції та їх властивості. Коливання проявляються як в природі так і широко застосовуються в техніці. Тому ми з вами працювали над проектом «Вимушені коливання. Резонанс», який і буде темою нашого уроку. В рамках проекту ви працювали в експертних групах.  Фізики- теоретики, фізики- експериментатори, інженери, конструктори, біологи підготували свої звіти, щоб допомогли вирішити поставлені завдання. Отже, надаємо слово нашим фахівцям.

Фізик – теоретик 1.  Графік ідеалізованого власного коливання являє собою синусоїду або косинусоїду.

 Однак у будь-якій реальній коливальній системі, внаслідок неминучості дії сил тертя й опору, власні коливання згасають, тобто їх амплітуда зменшується з часом.

Фізик–експериментатор 1.  Я експериментально   покажу, як впливає опір середовища на затухання пружинного маятника. В повітрі коливання з часом будуть затухати. Але, якщо опустити вантаж у воду, де опір більший, коливання припиняться набагато швидше.

Фізик – теоретик 1. Тому у природі і техніці дуже часто реалізуються не власні, а вимушені коливання, тобто коливання під дією зовнішньої (змушуючої) сили.

Вимушені коливання можуть бути незгасаючими, якщо зовнішня дія буде компенсувати зменшення енергії в системі, викликане дією сил тертя й опору.

Приклади вимушених коливань:

 вимушені коливання здійснюють дерева, фрагменти споруд під натиском вітру,  міст під ногами людей, поршень у двигуні та ін. На відео можна спостерігати вимушені коливання поршня у двигуні.

Властивості вимушених коливань:

•                 Частота вимушених коливань завжди дорівнює частоті періодичної змушуючої сили.
•                 Амплітуда вимушених коливань не зменшується з часом, навіть якщо в системі присутнє тертя.

Особливим проявом дії змушуючої сили є явище резонансу — стрімкого (різкого) зростання амплітуди вимушених коливань за умови збігу частоти власних коливань системи і частоти, з якою змінюється змушуюча сила.

Графік залежності амплітуди коливань від частоти під час резонансу називається резонансною кривою. Резонансна крива тим гостріша, чим менші втрати енергії в системі .

Учитель. А зараз експериментатори продемонструють прояв резонансу на експерименті.

Фізик – експериментатор 2. Я покажу прояв резонансу на прикладі коливань математичного маятника. Пристрій складається з чотирьох математичних маятників прикріплених до спільного підвісу, причому по два мають однакову довжину. Запустивши коливання одного з маятників поспостерігаємо за коливаннями інших. Можна побачити, що починає коливатися інший маятник такої самої довжини. Як відомо частота коливань математичного маятника залежить від його довжини, отже в резонанс ввійшли саме маятники однакової довжини. Маятники з іншою довжиною практично не коливаються. Якщо змінити довжину маятника, отримаємо знову коливання і отже резонанс маятників однакої довжини. 

Фізик – експериментатор 3. Я продемонструє резонанс за допомогою  двох камертонів однакої частоти. Якщо вдарити по одному він почне звучати. Якщо його поставити поряд з іншим то можна побачити і почути, що другий буде також звучати. Для більшої наочності реєстрацію коливань другого камертона проводжу за допомогою математичного маятника з намистинкою, я дотикається до камертона. Коливання намистинки підтверджує передачу коливань.

Учитель. Дякую експериментаторам. Питання негативної дії  резонансу в природі опрацювала група інженерів.

Інженер 1. Наша група вивчала негативний вплив  резонансу. Прикладом негативного впливу резонансу може бути, наприклад, розливання води з відра під час ходьби, чи розгойдування вагонів на стиках рейок. Це приводить до певних незручностей. Однак, інколи можуть бути і катастрофічні  наслідки. Прикладом таких катастроф є землетруси - короткотривалі, раптові струси земної кори, викликані перемінним переміщенням мас гірських порід у надрах Землі. Якщо частота коливань співпадає з власною частотою коливань споруд, вони руйнуються.  На відео можна побачити коливання спричинені землетрусом, який стався 11 березня 2011 на північному сході Японії магнітудою 9,0 балів і який отримав офіційну назву "Великий землетрус Східної Японії". Землетрус подібної сили, за оцінками вчених, відбувається у цій країні не частіше одного разу на 600 років.  Стихійне лихо призвело  до появи цунамі, великих руйнувань та  важкої екологічної  аварії на японській АЕС Фукусіма-1.

Інженер 2. Руйнування конструкцій (наприклад, мостів) може відбуватися і під дією вітру.  Причина - резонанс.  На цьому відео можна побачити руйнування Тако́мського моста, висячого міста в США, в штаті Вашингтон, побудованого через протоку Такома-Нерроуз. Був відкритий для руху 1 липня 1940 року. Ще під час зведення будівельники дали йому прізвисько «галопуюча Герті» (англ. Galloping Gertie) через те, що в вітряну погоду його дорожнє полотно сильно розгойдувалося. 7 листопада 1940 року на 11:00 за місцевим часом при швидкості вітру близько 18 м/с сталася аварія, яка призвела до руйнування центрального прольоту моста. Аварія мосту залишила значний слід в історії науки і техніки. Руйнування мосту сприяло дослідженням в області  резонансу та  зміні підходів до проектування всіх великих будівельних конструкцій.

Іншим проявом  резонансу є  явище під назвою флаттер (від англ. flutter — вібрація,) — коливання елементів конструкцій літальних апаратів, головним чином крила літака чи гвинта гелікоптера.  Флаттер виникає при досягненні певної швидкості, яка залежить від характеристик конструкції літального апарату: виникаючий при цьому резонанс може викликати його руйнування.

Біолог 1. Резонанс негативно впливає не тільки на технічні споруди, а й на живі організми, в тому числі на людину.

Тіло людини можна розглядати як сполучення мас з пружними елементами, що мають власну коливальну частоту. Для більшості внутрішніх органів власні частоти лежать в діапазоні 6-9 Гц і інших, резонанс голови відносно плечей має частоту 25-30 Гц. Найбільш неприємними і навіть небезпечною для здоров'я є дія вібрації (коливання твердих тіл) на резонансних частотах, при яких частота власних коливань тіла або окремих органів збігається з частотою примусових коливань. При цьому різко зростає амплітуда коливань тіла, посилюються фізіологічні реакції організму і можуть виникати механічні пошкодження тканин і органів.

Інженер 3.  Однак, негативний вплив резонансу можна подолати. Є кілька способів боротьби  з негативним  впливом резонансу. Серед них найголовніші:

•                 Зміна частоти власних коливань системи або частоти зовнішньої сили;
•                 Збільшення сил тертя в системі;
•                 Введення ще одного зовнішнього впливу, що перебуває в протифазі до першого;
•                 Додавання вантажів зі змінним центром тяжіння.

 В країнах  Сходу, зокрема в Японії, під час  землетрусу часто бувало так, що руйнувались залізобетонні будівлі, стальні мости, а дерев’яні пагоди не руйнувалися. Секрет пагод в мудрості давніх зодчих: в середині кожної пагоди будівельники підвішували  довгу дерев’яну балку з вантажем на кінці. Частоту коливань цього маятника підбирали так, щоб під час землетрусу він розхитувався в протифазі до коливань будівлі, допомагаючи їх гасити.

В даний час перед будівництвом споруд в  сейсмонебезпечних районах попередньо проводять дослідження сейсмостійкості: поведінку різних модифікацій споруд при однакових сейсмічних навантаженнях і вибирають найкращий варіант.

В хмарочосі “Тайбей 101” Тайвань небезпеку руйнування при урагані або землетрусі знижує величезна 660-тонна куля-маятник, розміщена між 87 і 91 поверхами. За словами інженерів, вежа зможе витримувати сильні коливання   протягом 2500 років.

В конструкції  будівлі башти  Цзінь Мао (м. Шанхай)  реалізована система, яка дає їй можливість витримувати  силу ураганного вітру швидкістю до 200 км/год (максимальна амплітуда розхитування верхівки споруди — 75 см) і землетрусу силою 7 балів по шкалі Ріхтера. В стальних колонах є рухомі  з'єднання, які  поглинають силу поштовхів і пом'якшують дію  вітру і землетрусів, а плавальний басейн на 57 поверсі діє як амортизатор.

Учитель. Резонанс має і позитивні сторони, про які нам розкажуть конструктори.

Конструктор 1. Давайте згадаємо гойдалку, з якою, напевно в кожного пов’язані  приємні дитячі спогади, дзвін дзвоника, який закликає нас на уроки, а ще приємніше звучить, коли сповіщає про перерву.

Але резонанс має і велике практичне значення. Його можна використати, наприклад, для виштовхування автомобілів з трясовини, чи снігових заметів. Інколи буває достатньо машину розгойдати, і якщо частота коливань співпаде з частою власних коливань автомобіля, то він легше може подолати трясовину чи сніговий замет.

Явище резонансу можна застосовувати і для переміщення великих конструкцій. Нам відомо багато великих споруд древності. Як при цьому наші предки переміщали конструкції нам не відомо. Однак, за однією з версій в цьому їм допомагав резонанс. Конструкції переміщали чотири бригади робочих. Дві бригади за допомогою канатів розгойдували конструкцію та старалися попасти в резонанс з її власною частотою коливань. Коли амплітуда коливань ставала достатньо великою, дві інші бригади почергово тягнули підняту частину конструкції, кожний раз переміщаючи її на кілька сантиметрів вперед. Так можна переміщати кам’яні конструкції на великі відстані. Такий метод переміщень називають кантуванням.

 Конструктор 2. Резонанс знайшов широке застосування в техніці. Наприклад, частотомір прилад для вимірювання частоти коливань побудований на явищі резонансу. Складається з набору «язичків» – пружних пластинок, прикріплених гвинтами до спільної планки. Кожна пластина має певну частоту коливань, яка залежить від її пружних властивостей, довжини й маси. Під дією зовнішньої сили коливаються саме пластинки, частота власних коливань яких співпадає з частотою зовнішньої сили.

Віброущільнювач пристрій для ущільнення сипучої основи фундаментів, доріг, бетону. 

Резонансний метод руйнування льоду - в основі дії цього методу закладений рух навантаження на крижини та розвиток коливань пластин льоду. Коли частота коливань навантаження  співпадає з частотою коливань льоду, вода припиняє підтримку крижаного покриву. Амплітуда коливань різко  зростає, починається руйнування льодового покриву.

  Біолог 2. Резонанс використовують і медики. Прикладом такого застосування є літотрипсія. Слово «літотрипсія» походить від грецького «lithos» — камінь і «tribo» — дробити, і означає дослівно «каменедроблення». Коливання, які формуються на спеціальному апараті — літотрипторі, фокусуються на камені. В результаті дії коливань, частота яких співпадає з частотою коливань каменів, вони руйнуються на дрібні фрагменти, які самостійно виходять з організму природним шляхом. Це лікування проходить практично без болю і не вимагає анестезії.

Явище резонансу використовую при побудові музичних інструментів. Там  використовують резонатор - пристрій, який має резонансні властивості, тобто відклик якого на коливання певних частот сильніший, ніж на коливання з іншими частотами.

Фізик-експериментатор 4.  Я продемонструю, як звучить камертон - прилад, який застосовується для настроювання музичних інструментів та при співі з частотою коливань, що дорівнює 440 Гц. Якщо піднести його до резонуючого ящика, можна почути, що гучність звуку зростає.

Біолог 2. Вчені експериментально довели, що руйнівні процеси в клітині можна зупинити і навіть відновити клітини за допомогою звукових коливань. Передусім ідеться про класичні музичні твори.  І тому на завершення презентації нашого проекту запрошую вас послухати уривок нічної сонати Моцарта.

Учитель. Ви, готуючись до сьогоднішнього заняття, прочитали безліч цікавого, вивчили явище резонансу. Резонанс відбувається тоді, коли частота дії змушуючої сили дорівнює власній частоті коливань системи.

Подальше зростання частоти приведе до зменшення амплітуди коливань. Отже, амплітуда вимушених коливань тіла залежить від частоти дії змушуючої сили. Для кожної коливальної системи існує певна частота, за якої амплітуда вимушених коливань матиме максимальне значення. Ця частота називається резонансною. Встановлено, що резонансна частота дорівнює частоті власних коливань системи.

З явищем резонансу ми зустрічаємося часто і в побуті, і в техніці. Дія цього явища може бути і корисною, і шкідливою. 

Людина здавна вчиться у природи і використовує вивчені закони для свого блага. Однак, багато таємниць ще не розкрито, процес пізнання безмежний, тому ви, можливо, вивчаючи природні явища, відкриєте нові закони і застосуєте їх на благо людства амортизатор.

Використані джерела

1.               В.Т. Грінченко, І.В. Вовк, В. Т. Маципура "Основи акустики" -К: Наукова думка, 2007. -640с.
2.               Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики/ за ред. Гельфгата І.М. – Харків: «Гімназія», 2008 – 80 с.
3.               Козин В.М. Резонансний метод руйнування крижаного покриву. Винаходи та експерименти .. - М.: Академія Природознавства, 2007. - С. 355.
4.               Орлова Л. Звукові явища. – газета «Фізика»- К.: Видавництво «Перше вересня», 2014, №2. С.18-25.

Ресурси Інтернет:

http://mmi-dmm.kpi.ua/

en.wikipedia.org

rutube.ru/.../e600500704a2ec163a4b059fdcb31de6...‎

ru.wikipedia.org

uk.wikipedia.org

www.youtube.com/watch?v=4CBOfGa1uTE‎

www.youtube.com/watch?v=z9y-BrCtBkQ

www.youtube.com/watch?v=ZiYzO-TDobM‎