Резонанс это явление

Резонанс это явление

Резонанс это явление
СОДЕРЖАНИЕ

Частота резонанса

Процедура, связанная с изменением положения системы рядом с точкой равновесного состояния и повторяющаяся с течением времени, называется колебаниями. Качающийся маятник повторяет свои движения относительно нормали к горизонтальной плоскости. При этом, если не прикладывать к его движению дополнительной энергии, его раскачивания затухнут.

Явление таких изменений можно классифицировать по следующим параметрам:

  • по математической модели, используемой в колебаниях;
  • по структуре периодичности;
  • по природе физических свойств;
  • по виду взаимодействия с окружающими условиями.

Внимание! Все колебания, независимо от своих физических свойств, имеют общие законы, которые можно описать волновыми явлениями. Эти закономерности исследует теория волновых колебаний.

Механические колебания связаны с трансформацией одной формы энергии в другую, волновые – с пространственным передвижением и распространением энергии.

Общими параметрами для всех колебаний являются:

  • частота;
  • период;
  • амплитуда.

ω = 2π*T, (рад/с).

Период (T) являет собой время целого (полного) колебания, во время которого можно зафиксировать повторение любой из характеристик состояния системы. Это значит, что она совершила полное колебание. Обозначение периода – Т, единица измерения – секунда (с).

Наибольшее отклонение точки тела или любой величины системы от равновесного положения называется амплитудой колебаний и обозначается буквой A. Единицей измерения являются те величины, изменения которых рассматриваются. При механических отклонениях амплитуду измеряют в метрах (м), амплитуду переменного напряжения – в вольтах (В) и так далее.

Период и частота механических колебаний

Период и частота механических колебаний

ωрез = √(ω02 – 2ß2).

В данной формуле:

  • ωрез – частота резонанса;
  • ω0 – круговая частота;
  • ß – коэффициент затухания.

Когда коэффициент затухания повышается, то явление резонирования снижается.

Принцип действия

Как показывает простой пример с качелями, система обладает определенной частотой (v). Без вычислений понятно, что удлинение (L) веревки при одном и том же отклонении от вертикали на угол (α) провоцирует увеличение периода колебаний (T).

Резонанс это в физике 11 класса школьной программы определяется как возрастание амплитуды при совпадении собственной частоты конструкции с внешними воздействиями. Хаотичные толчки провоцируют обратный эффект – торможение маятника. Такой результат объясняется противоположным направлением векторов соответствующих сил.

Суть явления резонанса

Рассматриваемые эффекты по-разному проявляются в газовой среде и в твердых телах. Они способны возникать в электрической цепи с реактивными компонентами. При определенных условиях резонансное воздействие разрушит кирпичный дом или разорвет стенки прочного котла паровой машины. Правильное использование этого явления помогает улучшить помехозащищенность радиоаппаратуры, успешно решать другие практические задачи.

Для вычисления параметров механической системы можно продолжить изучение маятника. Естественное движение качелей замедляется трением функциональных компонентов, сопротивлением воздуха. Чтобы предотвратить затухание колебаний нужно приложить внешнюю силу (F). Максимальную эффективность обеспечит совпадение частот. Ниже показан алгоритм расчета.

v = ((F* Δt)/m) * N,

  • N – количество импульсов;
  • m – суммарная масса груза.

(m*v2)/2 = m*g*h = m*g*L*(1-cos α).

Из этих сочетаний простыми преобразованиями получают две формулы для расчетов:

  • N = (m/(F* Δt)) * √(2*g*L*(1-cos α));
  • t (общее время для выполнения N колебаний) = N*T = (2π*m*L)/(F* Δt)) * √(2*(1-cos α)).

Подставив определенные исходные значения, вычисляют периодичность необходимых резонансных колебаний:

  • m=100кг;
  • F = 10Н;
  • L = 200 см;
  • Δt = 1 с;
  • N = 34;
  • t = 96;
  • T = 2,8 с.

Явление резонанса может наблюдаться в цепях переменного тока при совпадении частот источника питания (сигнала) и реактивных компонентов контура. В этом случае можно рассматривать электрическое сопротивление, как аналог сил трения в механической системе.

Резонанс токов

Резонанс токов

Для создания необходимых условий можно применить параллельное соединение типовых элементов (R, L и C). Если обеспечить равенство импедансов реактивных составляющих, на определенной частоте суммарное значение токов в соответствующих цепях будет больше, по сравнению с током источника питания. Графика на рисунке демонстрирует векторное представление электрических параметров.

Xc = 1/(2π*f*C),

  • Xc – сопротивление;
  • f – частота;
  • С – емкость.

XL = 2π*f*L.

Z = √R2 (2π*f*L – 1/(2π*f*C)2.

Fрезонанса = 1/2π * √ (L*C).

Условия резонанса напряжений в последовательном контуре

Условия резонанса напряжений в последовательном контуре

Если применить трансформатор для образования связи между двумя колебательными контурами, расчет усложняется. Для создания необходимых условий обеспечивают равенство реактивных составляющих.

Резонансные кривые связанных контуров

Резонансные кривые связанных контуров

Рисунок демонстрирует изменение полосы пропускания при разных значениях коэффициента (К), определяющего передачу напряжения. При увеличении этого параметра выше критического уровня (K{amp}gt;Ккр) образуется двугорбая кривая. Максимальная ширина полосы пропускания обеспечивается при К = 0,7*Кмакс. Дальнейшее усиление связи формирует провал в средней части.

Нелинейные системы

Если отсутствуют симметричные реакции на сторонние воздействия, резонансные явления проявляются особым образом. В частности, наличие в цепи катушки с ферритовым сердечником существенно усложняет точный расчет. В подобных материалах магнитные свойства определяются нелинейным распределением элементарных компонентов.

Слово resono в переводе с латыни значит отклик. Колеблющаяся система откликается на наружные колебательные влияния. При приближении частоты наружной к частоте своей собственной она отвечает резким повышением амплитуды своих вынужденных периодических отклонений от состояния равновесия.

Явление резонанса

Явление резонанса

Важно! Резонанс и унисон – это не одинаковые явления. Унисон – это совпадение звуков по тону. В этом случае не происходит увеличения амплитуды звуковых колебаний, а наступает «одноголосье» двух или нескольких источников звука.

Две струны могут звучать в унисон, если к ним одновременно прикладывать силу, приводящую к их колебаниям. Но одна может резонировать с другой в момент совпадения частот их колебаний и увеличивать громкость своего звучания.

Примеры резонанса в жизни

Ещё один из примеров проявления – акустическое резонирование соборных труб при звучании органной музыки. Громкое и красивое звучание происходит в результате этого явления. Трубы применяются различных диаметров и длины. Такой инструмент, как флейта, звучит исключительно при помощи этого эффекта. Детские качели достигают наибольшей амплитуды раскачивания при резонансе колебаний внешних и собственных.

Применение нано технологий открыло такое явление, как плазменный резонанс, при котором поверхностный плазмон возбуждается извне электромагнитной волной. Независимо от того, к каким последствиям приводит резонирование разных колебательных систем, его величину можно регулировать. Акустические, электрические, механические и другие резонаторы, входящие в состав устройств, расширяют спектр их применения.

Рассмотренный выше пример – частный случай. Аналогичные проявления можно обнаружить в разных системах.

Борьба с блоком в дзюдо

Борьба с блоком в дзюдо

Для эффектного броска опытный спортсмен умело повторяет раскачивающиеся движения противника. В определенный момент делает подсечку с толчком в нужном направлении. Грамотное сложение нескольких сил помогает выиграть поединок.

Журналисты утверждают, что Басков расколол бокал силой своего голоса

Журналисты утверждают, что Басков расколол бокал силой своего голоса

Для повышения рейтингов устаревающих певцов и анахронических средств массовой информации применяют разные технологии. Однако в самом принципе разрушения хрупкого изделия звуковым колебанием нет ничего удивительного. При широком голосовом диапазоне вполне допустимо совпадение частот. Профессиональный певец в состоянии обеспечить «генерацию» сильных колебаний даже без применения специализированного усилителя.

Разрушение стационарного моста в США (1940 год, штат Вашингтон)

Разрушение стационарного моста в США (1940 год, штат Вашингтон)

Любой механический процесс можно описать с помощью физических определений и специальных формул    

В этом примере крепкую конструкцию уничтожил не многотонный грузовик или испытание атомной бомбы. Совпадение частот потока воздушных масс и моста провоцировало критическую нагрузку и показанные на фото результаты. Данный резонансный случай убедительно демонстрирует необходимость точного расчета для исключения аварийных и катастрофических ситуаций.

Польза и вред механических резонансов

Изложенные сведения применяют для решения разных прикладных задач. Выяснив, что такое резонанс в физике, можно с помощью малых внешних сил развивать большую полезную мощность. Точный расчет предотвратит вредные воздействия, ухудшающие функциональное состояние механических аппаратов и электротехнических схем.

Изложенные принципы объясняют применение резонанса для обработки сигналов. Точный расчет компонентов и коэффициента связи контуров поможет создать эффективный фильтр, пропускающий электромагнитные колебания в определенном частотном диапазоне.

Последовательный контур можно использовать для повышения напряжения, если сеть питания неспособна поддерживать необходимый уровень. Правильно подобранный конденсатор обеспечит плавное включение привода, что продлит срок службы оборудования и снизит нагрузку на электростанцию.

К сведению. Хорошо известно применение резонанса в технике измельчения твердых горных пород. Аналогичный результат (ускорение процесса) получают при оснащении дрели ударно-возвратным механизмом.

С помощью перфоратора сверление отверстий в прочных железобетонных стенах выполняется быстро и без чрезмерных усилий

С помощью перфоратора сверление отверстий в прочных железобетонных стенах выполняется быстро и без чрезмерных усилий

Резонанс разрушает прочные конструкции, функциональные узлы, механизмы. При ошибках в расчетах это явление ухудшает работоспособность электрических схем. Особо сильные воздействия провоцируют аварийные ситуации.

В качестве примера можно привести резонансные частоты, которые учитывают при создании санитарных, технических и производственных нормативов:

  • стоящий, сидящий и лежащий человек: 4-13 (16-26), 4-7 и 2,5-3 Гц, соответственно;
  • голова: 18-35 Гц;
  • грудная клетка: 2,5-4 Гц;
  • брюшная полость: 6-9 Гц.

При совпадении частоты вибраций (от инструмента, работающего оборудования) ухудшается состояние нервной системы, провоцируются паталогические изменения в организме.

При строительстве заданий и инженерных сооружений обязательное условие – проверка конструкций на резонансные явления. При этом изучаются все источники колебаний, как природных (ветра, прибоя), так и искусственных (радары, передающие антенны).

Одним из примеров вреда резонанса можно назвать разрушение в 1940 году висячего моста в штате Вашингтон, США. Низкая высота опор Такомского сооружения вызывала непроизвольные колебания при воздействии ветра. В результате того, что эти колебания однажды вступили в резонанс с порывами движения воздушных масс, мост разрушился. Хотя ещё в ходе строительства было отмечено появление этого явления, но ему не придали значения.

Явление усиления амплитуды при совпадении частот при землетрясении вызывает разрушения и огромные волны цунами.

У резонанса есть плюсы:

  • резонаторы на струнных инструментах усиливают гармонику, выполняя усиления стоячих волн;
  • колебательный контур радиоприёмных устройств, при настройке на передающую станцию, усиливает принятый сигнал по амплитуде;
  • разрушающие особенности этого процесса для бетона используются при работе перфоратора, во время вибрации при сверлении.

Интересно. Благодаря рассматриваемому явлению, современная медицина приобрела такой незаменимый прибор, как МРТ – магниторезонансная томография. При помощи МРТ производят полное обследование организма человека. Магниторезонансная терапия позволяет лечить болезни опорно-двигательного аппарата без хирургического вмешательства.

Цунами – результат резонанса частоты морских волн с частотой подземных толчков

Цунами – результат резонанса частоты морских волн с частотой подземных толчков

Явление механического резонанса – это повышение амплитуды вынужденных колебательных перемещений. Электромеханический резонатор – это устройство, предназначенное для измерения сил механической природы и её производных. По техническому замыслу он подобен пьезоэлектрическому датчику, но с более высокой добротностью. Основными элементами такого устройства являются:

  • пьезоэлектрическая пластина, имеющая форму спаренного камертона (параллельные одинаковые стержни с объединёнными между собой концами);
  • электроды, присоединённые к концам пьезоэлектрического компонента.

Для понижения частоты служит сосредоточенная масса, которая с помощью перемычки подсоединяется к средним частям стержней.

Устройство электромеханического резонатора

Устройство электромеханического резонатора

На приведённой картинке отображены следующие зоны и элементы:

  • 1 – стержни (сечение равномерно по всему стержню);
  • 2 – объединённые элементы;
  • 3 – зона размещения электродов;
  • 4 – массы сосредоточения;
  • 5 – перемычки;
  • 6 – места для закрепления резонатора и подключения цепи для силоизмерения.

К сведению. Электромеханические резонаторы – это детали или устройства, объединяющие в себе свойства механического резонирования и пьезоэлектрических преобразований.

Резонанс это явление

Это наиболее распространённые резонаторы, включающие в себя кристаллы кварца. Кристалл вырезается в форме параллелепипеда. На полученную пластину в вакууме напыляют электроды. Способы колебаний такого элемента зависят от следующих позиций:

  • вида пластины из кварца;
  • конструктивного исполнения электродов;
  • метода присоединения электродов.

На величину собственной частоты кварцевого резонатора влияют: форма, размеры, модуль упругости и плотность пьезоэлектрического элемента, а также особенности крепления детали.

Простейшая конструкция кварцевого резонатора

Простейшая конструкция кварцевого резонатора

Электромеханические фильтры (ЭМФ) выполняют ступенчатое преобразование. На первой ступени происходит превращение электрических пульсаций в колебания механической природы. Вторая ступень их фильтрует, третья – снова возвращает в электрическую форму.

Внимание! Вторая ступень – это механический резонатор, он работает как фильтр. Изготавливается из ферритов с магнитострикционными свойствами, кварца, сплавов железа с никелем, пьезокерамических элементов и иных компонентов.

Блок-схема ЭМФ

Блок-схема ЭМФ

Добротность колебательной системы

Q = ω0*W/Pd = 2πf0W/Pd ,

  • ω0 – круговая резонансная частота;
  • f0 – частота резонанса;
  • W – запас энергии в КС;
  • Pd – мощность рассеивания.

Добротность определяет отношение запаса энергии в КС к потерям за интервал фазных изменений на величину в 1 радиан. Она показывает ширину резонансной полосы.

Внимание! Формула для вычисления Q говорит о том, что в каждом периоде скорость затухания колебаний и количество потерянной энергии тем меньше, чем выше значение добротности КС.

Положительные и отрицательные стороны резонанса

Высотные мачты и башни, небоскрёбы, мосты и смотровые площадки должны выдерживать возрастание амплитуды своих колебаний в результате внешних воздействий.

У явления резонанса есть плюсы:

  • резонаторы на струнных инструментах усиливают гармонику, выполняя усиление стоячих волн;
  • колебательный контур радиоприёмных устройств, при настройке на передающую станцию, усиливает принятый сигнал по амплитуде.

Разрушающие свойства этого явления используются при работе перфоратора – во время вибрации при сверлении бетонная стена вступает в резонанс с рабочим инструментом, и происходит разрушение бетона в точке применения.

Плюсы и минусы резонанса

Плюсы и минусы резонанса

Электромеханические резонаторы

Блок-схема ЭМФ

Блок-схема ЭМФ

Достижение размытия резонанса

Для частичного уменьшения или размытия (смягчения) резонанса необходимо выполнить одно из условий снижения амплитуды. Эффект амортизации заключается в том, чтобы:

  • понизить добротность КС;
  • убрать совпадение или пересечение диапазонов частот КС и частот колебаний возможных сторонних возмущений.

Существует множество приспособлений и конструктивных решений, позволяющих это сделать. К наиболее удачным относятся:

  • вставка в многопроволочные провода линий электропередач жилы с меньшим сечением;
  • применение амортизаторов на транспорте для снижения колебаний во время движения;
  • применение в трубопроводах, работающих под высоким давлением, вставок-гасителей;
  • запрет при передвижении по мостам колонной шагать в ногу;
  • для предотвращения раскачивания зданий и вхождения их в ветровой резонанс устанавливание «воздуходувок», выполняющих встречную ветру подачу воздуха;
  • подача импульсов тока на нежёсткую деталь во время её токарной обработки.

Один из универсальных методов, предназначенных для размытия резонанса, предлагает использовать два связанных элемента. У элементов изменения жесткости происходят по двум разным законам: линейному и нелинейному. Вместе соединяются витая пружина и прессованная проволока, представляющая собой демпфирующий компонент упругого действия.

Это интересно