Может ли резонанс быть полезным


Резонанс: польза и вред

В нашей жизни происходит много удивительных и порой непонятных явлений. Однако объяснение многих из них может быть достаточно простым, но сразу не бросающимся в глаза. Например, одна из любимейших детских забав – качание на качелях. Казалось бы, что тут сложного – все ясно и понятно. Но задумывались ли вы, почему, если правильно действовать на качели, то размах качаний будет становиться все больше и больше? Все дело в том, что действовать нужно строго в определенные моменты времени и в определенном направлении, иначе результатом действия может быть не раскачивание, а полная остановка качелей. Чтобы этого не произошло, нужно, чтобы частота внешнего воздействия совпадала с частотой колебаний самих качелей, в этом случае размах качания будет увеличиваться. Это явление называется резонансом. Давайте попробуем разобраться, что такое резонанс, где он встречается в нашей жизни и что об этом явлении нужно знать.

С точки зрения физики «резонанс» – это резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты колебательной системы с частотой внешней вынуждающей силы. Это только внешнее проявление резонанса. Внутренняя причина заключается в том, что увеличение амплитуды колебаний свидетельствует об увеличении энергии колебательной системы. Это может происходить только в том случае, если физической системе сообщается энергия извне согласно закону сохранения и изменения энергии. Следовательно, внешняя сила должна совершать положительную работу, увеличивая энергию системы. Это возможно только, когда внешняя сила является периодически изменяющейся с частотой, равной собственной частоте колебательной системы. Самый простой вариант – вариант с качелями, который мы уже описали, и который возникает во всех маятниковых системах и устройствах. Но это далеко не единственный случай применения человеком эффекта резонанса.

Резонанс, как и любое другое физическое явление, имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Среди положительных можно выделить использование резонанса в музыкальных инструментах. Особенная форма скрипки, виолончели, контрабаса, гитары способствует резонансу стоячих звуковых волн внутри корпуса инструмента, составляющих гармонику, и музыкальный инструмент дарит любителям музыки необыкновенное звучание. Известнейшие мастера музыкальных инструментов, такие как Николо Амати, Антонио Страдивари и Андреа Гварнери, совершенствовали форму, подбирали редкие породы древесины и изготавливали специальный лак, чтобы усилить резонирующий эффект, сохранив при этом мягкость и нежность тембра. Именно поэтому каждый такой инструмент имеет свой особенный, неповторимый звук.

Помимо этого, известен способ резонансного разрушения при дроблении и измельчении горных пород и материалов. Это происходит так. При движении дробимого материала с ускорением силы инерции будут вызывать напряжения и деформации, периодически меняющие свой знак, – так называемые вынужденные колебания. Совпадение соответствующих частот вызовет резонанс, а силы трения и сопротивления воздуха будет сдерживать рост амплитуды колебаний, однако все равно она может достичь величины, значительно превышающей деформации при ускорениях, не меняющих знак. Резонанс сделает дробление и измельчение горных пород и материалов существенно эффективнее. Такую же роль резонанс играет при сверлении отверстий в бетонных стенах при помощи электрической дрели с перфоратором.

Явление резонанса мы также используем в различных устройствах, использующих радиоволны, таких как телевизоры, радиоприемники, мобильные телефоны и так далее. Радио- или телесигнал, транслируемый передающей станцией, имеет очень маленькую амплитуду. Поэтому, чтобы увидеть изображение или услышать звук, необходимо их усилить и, вместе с тем, понизить уровень шума. Это и достигается при помощи явления резонанса. Для этого нужно настроить собственную частоту приемника, в основе представляющего собой электромагнитный колебательный контур, на частоту передающей станции. При совпадении частот наступит резонанс, и амплитуда радио- или телесигнала существенно вырастет, а сопутствующие ему шумы останутся практически без изменений. Это обеспечит достаточно качественную трансляцию.

Один из видов магнитного резонанса, электронный парамагнитный резонанс, открытый в 1944 году русским физиком Е.К. Завойским, применяется при исследовании кристаллической структуры элементов, химии живых клеток, химических связей в веществах и т. д. Электроны в веществах ведут себя как микроскопические магниты. В разных веществах они переориентируются по-разному, если поместить вещество в постоянное внешнее магнитное поле и воздействовать на него радиочастотным полем. Возврат электронов к исходной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении. Этот метод представляет собой один из видов спектроскопии.

Несмотря на все преимущества, которые можно получить при помощи резонанса, не следует забывать и об опасности, которую он способен принести. Землетрясения или сейсмические волны, а также работа сильно вибрирующих технических устройств могут вызвать разрушения части зданий или даже зданий целиком. Кроме того, землетрясения могут привести к образованию огромных резонансных волн – цунами с очень большой разрушительной силой.

Также резонанс может стать причиной разрушения мостов. Существует версия, что один из деревянных мостов Санкт-Петербурга (сейчас он каменный) действительно был разрушен воинским соединением. Как сообщали газеты того времени, подразделение двигалось на лошадях, которых пришлось впоследствии извлекать из воды. Естественно, что лошади гвардейцев двигались строем, а не как попало. Еще один мост – Такомский – висячий мост через пролив Такома-Нэрроуз в США был разрушен 7 ноября 1940 года. Причиной обрушения центрального пролета стал ветер со скоростью около 65 км/ч.

 

В наше время резонансные колебания, вызванные ветром, чуть не стали причиной обрушения волгоградского моста, теперь неофициально называемого «Танцующим мостом». 20 мая 2010 года ветер и волны раскачали его до такой степени, что его пришлось закрыть. При этом был слышен оглушающий скрежет многотонных металлических конструкций. Дорожное покрытие моста через Волгу в течение часа было похоже на развивающееся на ветру полотнище. Бетонные волны, по словам очевидцев, были высотой около метра. Когда мост "затанцевал", по нему ехало несколько десятков автомашин. К счастью, мост устоял, и никто не пострадал.

Таким образом, резонанс – это очень эффективный инструмент для решения многих практических задач, но и одновременно может быть причиной серьёзных разрушений, вреда здоровью и других негативных последствий.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы

Матвеева Е.В., учитель физики

ГБОУ Школа № 2095 «Покровский квартал» 

9 повседневных примеров резонанса - StudiousGuy

Вы когда-нибудь задумывались, как радио выбирает определенные частоты, чтобы вы могли включить ваш любимый канал, или почему на концерте оркестра разбивается стекло? Вы когда-нибудь ощущали вибрацию моста, когда идете по нему? Как вы думаете, почему вы попадаете в такие ситуации? Ответ кроется в явлении резонанса.

Резонанс - это явление, при котором внешняя сила и вибрирующая система заставляют другую систему вокруг себя вибрировать с большей амплитудой при определенной рабочей частоте.Частота, при которой второе тело начинает колебаться или вибрировать с большей амплитудой, называется резонансной частотой тела.

Давайте посмотрим на примеры резонанса, которые встречаются в нашей повседневной жизни.

1. Качели

Детские качели - один из хорошо известных примеров резонанса. Когда мы толкаем качели, они начинают двигаться вперед и назад. Если дать маху серию регулярных толчков, можно построить его движение.Человек, который толкает тетиву, должен синхронизировать время взмаха. Толкатель должен синхронизироваться с временем качания. Это приводит к увеличению амплитуды качания, чтобы достичь большего. Когда качели достигают собственной частоты колебаний, легкое нажатие на качели помогает сохранить его амплитуду из-за резонанса. Мы называем это синхронное движение «Резонансом». Но если толчок нерегулярный, качели почти не будут вибрировать, и это несинхронизированное движение никогда не приведет к резонансу, и качание не будет повышаться.

2. Гитара

Гитара производит звук исключительно за счет вибрации. В акустической гитаре, когда вы дергаете струну, она вибрирует и передает звуковую энергию в полый деревянный корпус гитары, заставляя ее (и воздух внутри) резонировать и усиливая звук (делая его значительно громче).

В то время как в электрогитаре, когда музыкант ударяет по струне, она колеблется, и электромагнитное устройство в гитаре превращает это колебание в электрический сигнал, который отправляется на усилитель.Усилитель посылает колебания на динамик. Если частота динамиков соответствует вибрации гитары, возникает звук, который называется звуковой обратной связью.

3. Маятник

Маятник работает по тому же принципу, что и качели. Если мы толкаем маятник, он будет двигаться вперед и назад. Непрерывное нажатие через равные промежутки времени вызовет увеличение движения маятника. Если маятник регулярно толкают, его движение может быть значительно увеличено.

4. Певица разбивает бокал

Вы когда-нибудь видели или слышали о разбивании бокала в оркестре? Если да, то это все из-за явления резонанса. Собственная частота стекла или любого другого объекта определяется его формой и составом. Если голос певца попадает на резонансную частоту бокала с вином, происходит передача энергии. Однако полная передача энергии может вызвать разбитие стекла.

5.Мост

Группу солдат во время марша по мосту очень часто просят ломать ступеньки. Их ритмичный марш может вызвать экстремальные вибрации на собственной частоте моста. Если их синхронизированные шаги резонируют с собственной частотой моста, это может расшатать мост. Таким образом, при проектировании таких конструкций инженеры следят за тем, чтобы резонансные частоты компонентов отличались от резонансных частот других колеблющихся компонентов. Самый крупный пример того же - Tacoma Bridge Collapse , в котором частота потока воздуха совпадала с частотой моста, что приводило к его разрушению.

6. Музыкальная система, играющая в высоком тяжелом ритме

Вы когда-нибудь замечали, что стены и мебель вашего дома вибрируют, когда вы играете музыку в тяжелом ритме? Это связано с тем, что собственная частота мебели резонирует с частотой звука музыки и, следовательно, заставляет их вибрировать.

7. Поющий в душе

Люди, которые не очень хорошо поют, звучат намного лучше во время пения в душе, потому что излучаемые чистые ноты резонируют в душевой кабине.Санузел закрытый, иногда небольшой; когда вы поете, звуковые волны чаще ударяются о стены, заставляя стену вибрировать, поскольку стены параллельны друг другу. Отраженные звуки ударяются друг о друга, заставляя стену вибрировать с вашей собственной частотой, и передается более громкий звук.

8. Радио

Когда мы поворачиваем ручку радио на наш любимый канал, мы меняем собственную частоту приемника. Тогда собственная частота приемника совпадает с частотой передачи радиостанции.Когда две частоты совпадают, происходит передача энергии, и мы слушаем выбранный канал.

9. Микроволновая печь

Пища быстро нагревается в микроволновой печи из-за резонанса. Излучение, испускаемое микроволновой печью, имеет определенную длину волны и частоту. И, как и все другие объекты, молекулы воды и жира также имеют резонансную частоту. На определенной частоте молекулы поглощают длины волн и начинают вибрировать, вызывая приготовление и нагрев пищи.

.

Q: Можно ли использовать резонанс, чтобы что-нибудь разрушить? Возможна ли «коричневая нота»?

Физик : Нет!

«Резонанс» - это «возбужденное гармоническое колебание», когда движущая сила толкает и притягивает на «резонансной частоте» или около нее, что бы это ни было, резонирующее. Есть две большие проблемы, связанные с разрушением материала с помощью звука или легкого касания, или того, что вы используете для управления движением. Во-первых, ничто в мире не «звенит» идеально, а во-вторых, каждый пример гармонического движения, с которым вы, вероятно, столкнетесь, на самом деле является примером «затухающего гармонического движения».

Вот что означает «неидеально звонит». Вы можете заставить что угодно подпрыгивать и трястись, но «гармоническое движение» - это нечто очень специфическое для . Гармоническое движение - это вибрация, которая происходит всего на частоте на одной частоте .

То, что движется гармонично, движется вперед и назад в виде синусоидальной волны. Может быть, более или менее широкая или более высокая, но всегда именно такой формы.

Когда что-то колеблется взад и вперед, должна быть «восстанавливающая сила», чтобы вернуть его в центр.Для качающегося маятника этой силой является сила тяжести, для пружины или бокала - упругость материала. Требование и для гармонического движения состоит в том, чтобы возвращающая сила была линейной и пропорциональной тому, насколько объект был оттолкнут от центра. Например, если вы потянете пружину на расстояние X, и она будет тянуть с силой F, то если вы потянете ее вдвое дальше, 2X, она будет тянуть с удвоенной силой, 2F. Это знаменитый «закон Гука»: F = -kX. Отрицательный здесь означает, что сила направлена ​​в направлении, противоположном смещению, поэтому, если маятник качнулся вправо, сила тяжести тянет его влево.

Когда вы меняете что-то всего на крошечных бит, отклик почти всегда линейный. Или, по крайней мере, почти линейно. Если бы это было не так, физики едва ли были бы способны проводить какие-либо вычисления. Это называется «приближением первого порядка» или «линеаризацией», и на самом деле это просто утверждение, что вещи (в математическом смысле) гладкие.

Типичная силовая реакция пружины. Если вы не растягиваете его слишком далеко, он реагирует линейно (прямая линия), но если вы растягиваете его слишком далеко, это не происходит (и в конечном итоге превращается в прямой провод или ломается).

Большинство физических систем обладают свойством «линейность в малом масштабе». Вопрос только в том, когда он сломается. Вот почему, например, маятники часов не качаются очень далеко.

Итак, это первая большая проблема; если вы толкнете что-то достаточно сильно или если колебание станет слишком большим, то восстанавливающая сила не будет линейной. В результате система начинает терять все хорошие свойства, которые делают ее гармоническим осциллятором. Один из способов сделать это - сломать объект (ура!), Но большую часть времени частота колебаний начинает шататься, волна перестает быть красивой (не только на одной частоте), и попытки вызвать резонанс просто перестают работать .

Вторая большая проблема - демпфирование. Нет ничего идеального, поэтому со временем каждый осциллятор теряет энергию. Выдерните гитарную струну, и она в конечном итоге отключится. Перестаньте толкать ребенка на качелях, и в конце концов он просто сядет. А может проголодаться.

Затухающие гармонические колебания выглядят так.

Когда вы пытаетесь заставить что-то резонировать, вы складываете несколько этих волн (по одной на каждый раз, когда вы «толкаете качели»), но из-за ослабления волн из более раннего периода не добавляется столько, сколько волн из более поздних. .Даже если система по-прежнему является довольно линейной, это ограничивает величину колебаний, которые вы можете получить при заданном количестве толчков.

Итак, просто чтобы убедиться, что это слишком хорошо, даже если частота настроена идеально, большинство вещей , а не может быть разрушено резонансом.

Если демпфирование достаточно плохое, то вместо того, чтобы вообще резонировать, объект просто «просочится» туда, где он начался. Когда все становится «чрезмерно затухающим», терпение полностью перестает быть добродетелью, и вам действительно нужно сразу собрать всю энергию на свои места.Например, если вы используете звук, вам нужно заменить динамик или голос на бомбу или молоток.

«Коричневая нота» - это звук, который предположительно резонирует с кишечником и вызывает беспорядок. Однако есть проблемы. Кишки не звенят, как колокольчики, они шлепаются, как мясо. Даже если вы будете осторожны, чтобы оставаться в «линейном режиме» (очень, очень малые силы и колебания), вы обнаружите, что мясо обычно критически демпфировано, хотя и не всегда.

Есть более эффективные способы вызвать беспокойство: слабительные, американские горки, ситуации вне туалета и т. Д.

Хотя это правда, что (американские) военные потратили немного денег на изучение коричневой банкноты (у многих людей), это также правда, что они потратили немного денег на изучение почти всего. По статистике, вы не можете потратить 680 000 000 000 долларов, не купив что-то бесполезное.

.

применений резонанса | Резонанс

  • Сетевые сайты:
    • Последний
    • Новости
    • Технические статьи
    • Последний
    • Проектов
    • Образование
    • Последний
    • Новости
    • Технические статьи
    • Обзор рынка
    • Образование
    • Последний
    • Новости
    • Мнение
    • Интервью
    • Особенности продукта
    • Исследования
    • Форумы
  • Авторизоваться
  • Присоединиться
    • Авторизоваться
    • Присоединиться к AAC
    • Или войдите с помощью

      • Facebook
      • Google

0:00 / 0:00

  • Подкаст
  • Последний
  • Подписывайся
    • Google
    • Spotify
.

Резонансные цепи RLC

Резонансные цепи используются для избирательного реагирования на сигналы заданной частоты при одновременном различении сигналов разных частот. Если характеристика схемы имеет более узкий пик около выбранной частоты, мы говорим, что схема имеет более высокую «избирательность». «Фактор качества» Q, как описано ниже, является мерой этой избирательности, и мы говорим о схеме, имеющей «высокую добротность», если она является более узкоселективной.

Примером применения резонансных схем является выбор радиоприемником AM радиостанций.Избирательность настройки должна быть достаточно высокой, чтобы четко различать станции выше и ниже по несущей частоте, но не настолько высокой, чтобы различать "боковые полосы", создаваемые наложением сигнала амплитудной модуляцией.

Селективность цепи зависит от величины сопротивления в цепи. Варианты последовательного резонансного контура справа следуют примеру Serway & Beichner. Чем меньше сопротивление, тем выше "Q" для данных значений L и C.Параллельный резонансный контур чаще используется в электронике, но алгебра, необходимая для описания резонанса, гораздо сложнее.

Используя те же параметры схемы, на рисунке слева показана мощность, рассеиваемая в цепи, как функция частоты. Поскольку эта мощность зависит от квадрата тока, эти резонансные кривые кажутся круче и уже, чем резонансные пики для тока, указанные выше.

Добротность Q определяется по

, где Δω - ширина резонансной кривой мощности на половине высоты.

Поскольку эта ширина оказывается равной Δω = R / L, значение Q также можно выразить как

Q - это обычно используемый параметр в электронике, значения которого обычно находятся в диапазоне от Q = 10 до 100 для схемных приложений.
Index

AC Circuits

Reference
Serway & Beichner
Ch 33

.

Смотрите также