Aké sú výhody a poškodenia rezonancie. Blog "domáca liečba"

Pri rezonancii energia vstupuje do systému v súlade s osciláciami v ňom, pričom neustále zvyšuje ich amplitúdu. V stacionárnom režime je veľká amplitúda kmitov udržiavaná malými energetickými príkonmi do systému, ktoré dopĺňajú straty energie kmitania (ohrievanie vodičov, prekonávanie odporových síl, straty vyžarovaním elektromagnetických a mechanických vĺn) v jednej perióde. V systéme v rezonancii sú vytvorené najpriaznivejšie podmienky na realizáciu voľných netlmených kmitov, ktoré sú systému vlastné, a preto sa amplitúda kmitov prudko zvyšuje.

Uvažujme o niektorých príkladoch prejavu rezonancie v prírode.

Príklad 1. Vojaci kráčajú po moste v pochodových krokoch, frekvencia úderov nôh na povrch mosta sa môže zhodovať s prirodzenou frekvenciou mosta ako oscilačného systému, vzniká rezonančný jav, pri ktorom sa amplitúda kmitov mosta postupne zvyšuje a , pri veľkých číselných hodnotách môže viesť k jeho zničeniu.

Príklad 2. Ventilátor je zle pripevnený k stropu a pri jeho otáčaní vytvára na strope rázy, ktorých frekvencia sa môže zhodovať s vlastnou frekvenciou miestnosti (stropu) ako oscilačný systém, amplitúda kmitov stropu sa zvyšuje a môže viesť k jeho kolapsu.

Príklad 3. Nástroje na lodiach sú vyrobené čo najťažšie (stojany sú ťažké) a zavesené na mäkkých pružinách (koeficient tuhosti pre ne bude malý). V tomto prípade bude frekvencia nakláňania lode väčšia ako frekvencia vlastných oscilácií (
) zariadenia na pružinách a preto nedochádza k rezonancii.

Príklad 4. V rádiových prijímačoch je na základe javu rezonancie možné vybrať požadovaný signál z veľkého počtu signálov z rôznych rádiových staníc prichádzajúcich na jeho prijímaciu anténu (obr. 5.23, a). Nechajte vstup rádiového prijímača prijímať signály s malou amplitúdou s rôznymi nosnými frekvenciami

Na izoláciu signálu s nosnou frekvenciou , je potrebné dosiahnuť frekvenčnú rovnosť vlastné voľné netlmené kmity prijímacieho obvodu a frekvencie (=). Potom, v dôsledku javu rezonancie, amplitúda signálu s frekvenciou na výstupe kondenzátora sa prudko zvyšuje a amplitúdy zostávajúcich signálov zostávajú rovnaké (obr. 5.23, b znázorňuje plnú čiaru rezonančnej krivky, ktorej maximum pripadá na frekvenciu )

a tým je izolovaný signál s nosnou frekvenciou . Zmenou kapacity kondenzátora môžete naladiť prijímací obvod antény na nosnú frekvenciu (na obr. 5.22, b je vrchol rezonančnej krivky posunutý k frekvencii ).

1. Nelineárne systémy. Vlastné oscilácie

1. Nelineárne systémy. Pod nelineárne systémy rozumieť takým oscilačným systémom, ktorých vlastnosti závisia od procesov v nich prebiehajúcich. V takýchto systémoch existujú nelineárne vzťahy, napríklad medzi: 1) elastickou silou a offset zaťaženie vzhľadom na rovnovážnu polohu. To vedie k porušeniu Hookovho zákona a k závislosti koeficientu do tuhosť systému od posunu , ktorý mení prirodzenú frekvenciu oscilácie systému; 2) elektrické náboje kondenzátora a sila poľa, ktorú vytvárajú (feroelektrikum medzi doskami kondenzátora pôsobením elektrického poľa mení svoju dielektrickú konštantu a tým vedie k zmene elektrickej kapacity kondenzátora v závislosti od napätia dodávané do obvodu, t.j. k zmene vlastnej frekvencie kmitania obvodu ) atď.

Všetky fyzikálne systémy sú nelineárne systémy. Pri malých amplitúdach kmitov (pre malé odchýlky od rovnovážnej polohy) možno fyzikálne systémy považovať za lineárne, kmity v nich sú opísané rovnakými diferenciálnymi rovnicami, čo umožňuje zostaviť všeobecnú teóriu kmitov.

Nelineárne efekty vo fyzikálnych systémoch sa zvyčajne prejavujú zvýšením amplitúdy kmitov - to vedie k tomu, že vlastné kmity systému (oscilátora) už nebudú harmonické a ich frekvencia bude závisieť od amplitúdy kmitov. Pohybové rovnice pre ne sú nelineárne a takéto systémy sa nazývajú anharmonické oscilátory (pozri § 5.5).

Napríklad pre malé odchýlky potenciálneho poľa od parabolického tvaru () bude mať diferenciálna rovnica kmitov tvar

,

Z napísanej diferenciálnej rovnice je vidieť, že koeficient tuhosti závisí od amplitúdy kmitov, čo vedie k závislosti uhlovej frekvencie voľných netlmených kmitov sústavy od amplitúdy kmitov.
.

Pre veľké odchýlky od lineárneho správania sa závislosť
sa stáva komplikovanejším, a preto sa aj rovnice opisujúce kmitanie v systéme stávajú komplikovanejšími.

Pri nelineárnych systémoch je na rozdiel od lineárnych systémov porušený princíp superpozície, podľa ktorého výsledný účinok zo zložitého procesu expozície je súhrn účinkov spôsobených každým dopadom samostatne, pokiaľ sa tieto navzájom neovplyvňujú.

Zmena formy harmonického vonkajšieho vplyvu v nelineárnych systémoch a porušenie princípu superpozície umožňujú pomocou takýchto systémov generovať a prevádzať frekvenciu elektromagnetických kmitov - usmernenie, znásobenie frekvencie, modulácia kmitov atď.

Rezonancia v takomto nelineárnom systéme sa bude líšiť v tom, že počas nahromadenia oscilátora vonkajšou silou sa hodnota rozladenia (
) sa zmení ako frekvencia bude závisieť od amplitúdy kmitov.

2. Samooscilačné systémy. Pozrime sa podrobnejšie na jeden z príkladov nelineárnych systémov - samooscilačné systémy.

Výhodou využitia rezonančných javov je ich účinnosť a veľká amplitúda kmitov. Nevýhodou je nestabilita systému spojená s potrebou udržiavať rezonančný stav s vysokou mierou presnosti (
), pretože akékoľvek odchýlky vo frekvencii vonkajšieho pôsobenia od rezonančnej frekvencie s úzkou rezonančnou krivkou prudko menia amplitúdu kmitov v systéme (obr. 5.17, a, b).

Aby sa predišlo takýmto nežiaducim javom, je možné prinútiť samotný systém, aby tento rezonančný stav udržiaval, takýto systém je samooscilačný systém. Samooscilačný systém sa vzťahuje na skupinu nelineárnych oscilačných systémov, v ktorých sú disipatívne straty kompenzované v dôsledku prítoku energie z externého konštantného zdroja. Systém zároveň sám reguluje dodávku energie do systému a dodáva ju v správnom čase v správnom množstve.

Samooscilačný systém pozostáva z oscilačného systému, zdroja energie a ventilu - zariadenia, ktoré reguluje prívod energie do systému. Činnosť ventilu je riadená samotným systémom pomocou spätnej väzby (obr. 5.24, a)

Ako príklad samooscilačného systému je možné uviesť systém pozostávajúci zo záťaže pripevnenej k dvom pružinám a oscilujúcej na kovovej tyči (obr. 5.24, b). Zdroj jednosmerného prúdu s pomocou elektromagnetu pre každú periódu kmitania pracuje na zvýšení kinetickej energie záťaže, dopĺňaním straty energie kmitania na prekonanie odporových síl.

Deje sa to nasledujúcim spôsobom. Počas pohybu sa kovová doska pripevnená k záťaži dotkne kontaktu ističa (hrá úlohu ventilu), elektrický obvod sa uzavrie a elektromagnet pritiahne dosku k sebe, pričom záťaži udelí dodatočnú rýchlosť. V systéme tak vznikajú netlmené kmity s frekvenciou
s veľkou amplitúdou, ktorú je možné nastaviť zmenou polohy kontaktu prerušovača.

Príkladmi samooscilačných systémov sú dychové a sláčikové nástroje, vibrácie hlasiviek počas rozhovoru a mechanické hodinky. Príkladom samooscilačného systému v prírode je jadrový reaktor, ktorý pred 2,5 miliardami rokov pracoval 500 000 rokov v uránovej bani v Afrike. Na jeho fungovanie bolo potrebné dostatočné množstvo uránu-235, ktorý sa štiepi pôsobením pomalých neutrónov, a moderátor neutrónov – voda. V určitom časovom bode sa voda nahromadila v dostatočnom množstve a reaktor začal pracovať. Jeho prácu podporil reťazec procesov znázornených na obr. 5.25:

Takýto samooscilačný systém fungoval až do vyhorenia jadrového paliva. Tu je zdrojom energie štiepenie jadier U-235, zmena teploty vody slúži ako ventil a oscilačným systémom je voda, ktorej hladina kolíše.

Definícia pojmu rezonancia (odozva) vo fyzike je pridelená špeciálnym technikom, ktorí majú štatistické grafy, ktoré sa s týmto javom často stretávajú. Dnes je rezonancia frekvenčne selektívna odozva, kde vibračný systém alebo prudký nárast vonkajšej sily núti iný systém oscilovať s väčšou amplitúdou pri určitých frekvenciách.

Princíp fungovania

Tento jav sa pozoruje keď je systém schopný uchovávať a ľahko prenášať energiu medzi dvoma alebo viacerými rôznymi režimami ukladania, ako je kinetická a potenciálna energia. Medzi cyklami však dochádza k určitej strate, ktorá sa nazýva útlm. Keď je tlmenie zanedbateľné, rezonančná frekvencia sa približne rovná vlastnej frekvencii systému, čo je frekvencia nevynútených vibrácií.

Tieto javy sa vyskytujú pri všetkých typoch oscilácií alebo vĺn: mechanické, akustické, elektromagnetické, nukleárne magnetické (NMR), elektronické spiny (EPR) a rezonancie kvantových vlnových funkcií. Takéto systémy možno použiť na generovanie vibrácií určitej frekvencie (napríklad hudobných nástrojov).

Pojem "rezonancia" (z latinského resonantia, "echo") pochádza z oblasti akustiky, pozorovanej najmä pri hudobných nástrojoch, napríklad keď struny začnú kmitať a vydávať zvuk bez toho, aby ich hráč priamo ovplyvňoval.

Tlačenie muža na hojdačke je bežným príkladom tohto javu. Kyvadlo pri zaťažení má prirodzenú frekvenciu oscilácií a rezonančnú frekvenciu, ktorá odoláva rýchlejšiemu alebo pomalšiemu tlačeniu.

Príkladom je hojdanie projektilov na ihrisku, ktoré pôsobí ako kyvadlo. Stláčanie osoby počas švihu v prirodzenom intervale švihu spôsobuje, že švih ide stále vyššie (maximálna amplitúda), zatiaľ čo pokusy o švih v rýchlejšom alebo pomalšom tempe vytvárajú menšie oblúky. Je to preto, že energia absorbovaná vibráciami sa zvyšuje, keď sa nárazy zhodujú s prirodzenými vibráciami.

Reakcia je široko rozšírená v prírode a používa sa v mnohých umelých zariadeniach. Toto je mechanizmus, ktorým sa vytvárajú prakticky všetky sínusové vlny a vibrácie. Mnohé zo zvukov, ktoré počujeme, napríklad pri náraze na tvrdé predmety vyrobené z kovu, skla alebo dreva, sú spôsobené krátkymi vibráciami predmetu. Svetlo a iné elektromagnetické žiarenie s krátkou vlnovou dĺžkou je produkované rezonanciou atómovej stupnice, ako sú elektróny v atómoch. Ďalšie podmienky, v ktorých sa môžu uplatniť prospešné vlastnosti tohto javu:

• Časomiera moderných hodiniek, vyvažovacie koliesko v mechanických hodinkách a quartzový kryštál v hodinkách.
• Prílivová reakcia zálivu Fundy.
• Akustické rezonancie hudobných nástrojov a hlasového traktu človeka.
• Zničenie krištáľového pohára pod vplyvom správneho hudobného tónu.
• Trecie idiofóny, ako napríklad výroba skleneného predmetu (sklo, fľaša, váza), vibrujú, keď sa prstom obtierajú o jeho okraj.
• Elektrická odozva ladených obvodov v rádiách a televízoroch, ktoré umožňujú selektívny príjem rádiových frekvencií.
• Vytváranie koherentného svetla optickou rezonanciou v dutine lasera.
• Orbitálna odozva, ktorej príkladom sú niektoré mesiace plynných obrov slnečnej sústavy.

Materiálové rezonancie v atómovom meradle sú základom niekoľkých spektroskopických metód, ktoré sa používajú vo fyzike kondenzovaných látok, napr.

• Elektronické odstreďovanie.
• Mossbauerov efekt.
• Jadrové magnetické.

Typy javov

G. Galileo pri popise rezonancie práve upozornil na to najpodstatnejšie - schopnosť mechanického oscilačného systému (ťažkého kyvadla) akumulovať energiu, ktorá je dodávaná z externého zdroja s určitou frekvenciou. Prejavy rezonancie majú v rôznych systémoch určité znaky, a preto rozlišujú jej rôzne typy.

Mechanické a akustické

Je to tendencia mechanického systému absorbovať viac energie, keď sa jeho vibračná frekvencia zhoduje s prirodzenou vibračnou frekvenciou systému. To môže viesť k vážnym dopravným výkyvom a dokonca katastrofálnym poruchám v nedokončených stavbách, vrátane mostov, budov, vlakov a lietadiel. Pri navrhovaní predmetov musia inžinieri zabezpečiť, aby sa mechanické rezonančné frekvencie komponentov nezhodovali s vibračnými frekvenciami motorov alebo iných oscilujúcich častí, aby sa predišlo javu známemu ako rezonančné napätie.

elektrická rezonancia

Vyskytuje sa v elektrickom obvode pri určitej rezonančnej frekvencii, keď je impedancia obvodu na minime v sériovom obvode alebo na maxime v paralelnom obvode. Rezonancia v obvodoch sa používa na prenos a príjem bezdrôtovej komunikácie, ako je televízna, mobilná alebo rádiová komunikácia.

Optická rezonancia

Optická dutina, nazývaná aj optická dutina, je špeciálne usporiadanie zrkadiel, ktoré sa tvoria rezonátor stojatej vlny pre svetelné vlny. Optické dutiny sú hlavnou zložkou laserov, ktoré obklopujú zosilňovacie médium a poskytujú spätnú väzbu laserového žiarenia. Používajú sa aj v optických parametrických oscilátoroch a niektorých interferometroch.

Svetlo obmedzené v dutine opakovane reprodukuje stojaté vlny pre určité rezonančné frekvencie. Výsledné vzory stojatých vĺn sa nazývajú "režimy". Pozdĺžne režimy sa líšia iba frekvenciou, zatiaľ čo priečne režimy sa líšia pre rôzne frekvencie a majú rôzne vzory intenzity naprieč prierezom lúča. Prstencové rezonátory a šepkajúce galérie sú príkladmi optických rezonátorov, ktoré nevytvárajú stojaté vlny.

Orbitálne fluktuácie

Vo vesmírnej mechanike vzniká orbitálna odozva, keď dve obiehajúce telesá na seba pravidelne, periodicky pôsobia gravitačne. Je to zvyčajne preto, že ich obežné doby sú spojené pomerom dvoch malých celých čísel. Orbitálne rezonancie výrazne zosilňujú vzájomné gravitačné ovplyvňovanie telies. Vo väčšine prípadov to vedie k nestabilnej interakcii, pri ktorej si telesá vymieňajú hybnosť a posun, až kým rezonancia prestane existovať.

Za určitých okolností môže byť rezonančný systém stabilný a samo-korigujúci, takže telesá zostávajú v rezonancii. Príkladmi sú rezonancia 1:2:4 Jupiterových mesiacov Ganymed, Európa a Io a rezonancia 2:3 medzi Plutom a Neptúnom. Nestabilné rezonancie s vnútornými mesiacmi Saturnu vytvárajú medzery v prstencoch Saturnu. Špeciálny prípad rezonancie 1:1 (medzi telesami s podobnými obežnými polomermi) spôsobuje, že veľké telesá Slnečnej sústavy vyčistia okolie okolo svojich dráh a vytlačia takmer všetko ostatné okolo seba.

Atómové, čiastočné a molekulárne

Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) je názov pre fyzikálny rezonančný jav spojený s pozorovaním špecifických kvantovo-mechanických magnetických vlastností atómového jadra, ak je prítomné vonkajšie magnetické pole. Mnohé vedecké metódy využívajú javy NMR na štúdium molekulárnej fyziky, kryštálov a nekryštalických materiálov. NMR sa tiež bežne používa v moderných lekárskych zobrazovacích technikách, ako je zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI).

Výhody a poškodenia rezonancie

Aby sme mohli vyvodiť záver o výhodách a nevýhodách rezonancie, je potrebné zvážiť, v ktorých prípadoch sa môže prejaviť najaktívnejšie a najvýraznejšie pre ľudskú činnosť.

Pozitívny účinok

Fenomén odozvy je široko používaný vo vede a technike.. Na tomto jave je napríklad založená činnosť mnohých rádiových obvodov a zariadení.

negatívny vplyv

Tento jav však nie je vždy užitočný.. Často nájdete zmienky o prípadoch, keď sa visuté mosty zlomili, keď po nich vojaci kráčali „v kroku“. Zároveň sa odvolávajú na prejav rezonančného efektu vplyvu rezonancie a boj proti nemu sa stáva rozsiahlym.

Boj proti rezonancii

Ale napriek niekedy katastrofálnym následkom účinku odozvy je celkom možné a potrebné bojovať proti nemu. Aby sa predišlo nežiaducemu výskytu tohto javu, zvyčajne sa používa dva spôsoby, ako súčasne použiť rezonanciu a vysporiadať sa s ňou:

1. Dochádza k „oddeľovaniu“ frekvencií, čo v prípade zhody okolností povedie k nežiaducim následkom. Za týmto účelom zvýšte trenie rôznych mechanizmov alebo zmeňte prirodzenú frekvenciu systému.
2. Zvyšujú tlmenie vibrácií, napríklad kladú motor na gumené obloženie alebo pružiny.

Skôr ako sa zoznámime s javmi rezonancie, mali by sme si preštudovať fyzikálne pojmy, ktoré sú s ňou spojené. Nie je ich až tak veľa, takže zapamätať si a pochopiť ich význam nebude ťažké. Takže prvé veci.

Aká je amplitúda a frekvencia pohybu?

Predstavte si obyčajný dvor, kde dieťa sedí na hojdačke a máva nohami, aby sa hojdalo. V momente, keď sa mu podarí švihnúť hojdačkou a siahajú z jednej strany na druhú, viete vypočítať amplitúdu a frekvenciu pohybu.

Amplitúda je najväčšia dĺžka odchýlky od bodu, v ktorom bolo teleso v rovnováhe. Ak vezmeme náš príklad hojdačky, potom možno amplitúdu považovať za najvyšší bod, do ktorého sa dieťa rozhojdalo.

A frekvencia je počet oscilácií alebo oscilačných pohybov za jednotku času. Frekvencia sa meria v Hertzoch (1 Hz = 1 oscilácia za sekundu). Vráťme sa k nášmu hojdaniu: ak dieťa prejde za 1 sekundu len polovicu celej dĺžky hojdačky, potom sa jeho frekvencia bude rovnať 0,5 Hz.

Ako súvisí frekvencia s fenoménom rezonancie?

Už sme zistili, že frekvencia charakterizuje počet vibrácií objektu za jednu sekundu. Predstavte si teraz, že dospelý pomáha slabo sa hojdajúcemu dieťaťu hojdať sa a tlačiť hojdačku znova a znova. Zároveň majú tieto otrasy aj svoju frekvenciu, ktorá zvýši alebo zníži amplitúdu švihu systému „hojdačka-dieťa“.

Predpokladajme, že dospelý tlačí na hojdačku v čase, keď sa pohybujú smerom k nemu, v tomto prípade frekvencia nezvýši amplitúdu pohybu. To znamená, že vonkajšia sila (v tomto prípade tlačenie) neprispeje k zosilneniu pohybu. oscilácia systému.

Ak sa frekvencia, s ktorou dospelý hojdá dieťa, číselne rovná samotnej frekvencii hojdania, môže dôjsť k javu rezonancie. Inými slovami, príkladom rezonancie je zhoda frekvencie samotného systému s frekvenciou vynútených oscilácií. Je logické si predstaviť, že frekvencia a rezonancia spolu súvisia.

Kde môžete vidieť príklad rezonancie?

Je dôležité pochopiť, že príklady prejavu rezonancie sa nachádzajú takmer vo všetkých oblastiach fyziky, od zvukových vĺn až po elektrinu. Význam rezonancie je v tom, že keď sa frekvencia hnacej sily rovná vlastnej frekvencii systému, tak v tom momente dosiahne svoju najvyššiu hodnotu.

Nasledujúci príklad rezonancie poskytne pochopenie podstaty. Povedzme, že kráčate po tenkej doske hodenej cez rieku. Keď sa frekvencia vašich krokov zhoduje s frekvenciou alebo periódou celého systému (board-man), potom doska začne silne oscilovať (ohýbať sa hore a dole). Ak budete pokračovať v pohybe v rovnakých krokoch, potom rezonancia spôsobí silnú amplitúdu kmitania dosky, ktorá je nad povolenou hodnotou systému a to nakoniec povedie k nevyhnutnému zlyhaniu mostíka.

Existujú aj oblasti fyziky, kde môžete použiť takýto jav ako užitočnú rezonanciu. Príklady vás možno prekvapia, pretože to väčšinou používame intuitívne, pričom si vôbec neuvedomujeme vedeckú stránku problému. Takže napríklad používame rezonanciu, keď sa snažíme vytiahnuť auto z diery. Pamätajte, že najjednoduchší spôsob, ako dosiahnuť výsledok, je len vtedy, keď tlačíte auto v momente jeho pohybu dopredu. Tento príklad rezonancie zosilňuje rozsah pohybu, čím pomáha pri ťahaní auta.

Príklady škodlivej rezonancie

Ťažko povedať, ktorá rezonancia je v našom živote bežnejšia: dobrá alebo škodlivá. História pozná značné množstvo desivých dôsledkov fenoménu rezonancie. Tu sú najznámejšie udalosti, na ktorých možno pozorovať príklad rezonancie.

1. Vo Francúzsku, v meste Angers, kráčal v roku 1750 oddiel vojakov krok za krokom cez reťazový most. Keď sa frekvencia ich krokov zhodovala s frekvenciou mostíka, rozsah oscilácie (amplitúda) sa dramaticky zvýšil. Ozvala sa rezonancia, reťaze sa pretrhli a most sa zrútil do rieky.
2. Vyskytli sa prípady, že v dedinách bol zničený dom v dôsledku jazdy nákladného auta po hlavnej ceste.

Ako vidíte, rezonancia môže mať veľmi nebezpečné následky, a preto by inžinieri mali starostlivo študovať vlastnosti stavebných objektov a správne vypočítať ich frekvencie vibrácií.

Užitočná rezonancia

Rezonancia sa neobmedzuje len na strašné následky. Pri starostlivom štúdiu okolitého sveta možno pozorovať veľa dobrých a pre človeka prospešných výsledkov rezonancie. Tu je jeden živý príklad rezonancie, ktorá ľuďom umožňuje prijímať estetické potešenie.

Zariadenie mnohých hudobných nástrojov funguje na princípe rezonancie. Zoberme si husle: telo a struna tvoria jeden oscilačný systém, vo vnútri ktorého je kolík. Prostredníctvom nej sa prenášajú kmitacie frekvencie z hornej rezonančnej dosky na spodnú. Keď Luthier natiahne luk pozdĺž tetivy, ten, ako šíp, porazí svoje trenie na povrchu kolofónie a letí opačným smerom (začne sa pohybovať v opačnej oblasti). Dochádza k rezonancii, ktorá sa prenáša do tela. A vo vnútri sú špeciálne otvory - efs, cez ktoré je vyvedená rezonancia. Takto sa ovláda v mnohých sláčikových nástrojoch (gitara, harfa, violončelo atď.).

Vonkajší vplyv na niektoré hodnoty (rezonančné frekvencie) určené vlastnosťami systému. Zosilnenie je spravodlivé dôsledkom rezonancia a spôsobiť- zhoda vonkajšej (budiacej) frekvencie s vnútornou (vlastnou) frekvenciou kmitavého systému. Pomocou fenoménu rezonancie je možné izolovať a/alebo zosilniť aj veľmi slabé periodické oscilácie. Rezonancia je jav, pri ktorom pri určitej frekvencii hnacej sily oscilačný systém zvlášť reaguje na pôsobenie tejto sily. Stupeň odozvy v teórii oscilácií je opísaný veličinou nazývanou faktor kvality. Fenomén rezonancie prvýkrát opísal Galileo Galilei v roku 1602 v prácach venovaných štúdiu kyvadla a hudobných strún.

mechanika

Mechanický rezonančný systém, ktorý väčšina ľudí pozná, je obyčajná hojdačka. Ak zatlačíte na hojdačku podľa jej rezonančnej frekvencie, rozsah pohybu sa zväčší, inak pohyb zanikne. Rezonančnú frekvenciu takéhoto kyvadla s dostatočnou presnosťou v rozsahu malých výchyliek z rovnovážneho stavu zistíme podľa vzorca:

Mechanizmus rezonancie spočíva v tom, že magnetické pole induktora generuje elektrický prúd, ktorý nabíja kondenzátor, a vybitie kondenzátora vytvára magnetické pole v induktore - proces, ktorý sa mnohokrát opakuje, analogicky s mechanickým kyvadlom.

Za predpokladu, že v momente rezonancie sú indukčné a kapacitné zložky impedancie rovnaké, rezonančnú frekvenciu možno zistiť z výrazu

kde ; f je rezonančná frekvencia v hertzoch; L je indukčnosť v henry; C je kapacita vo faradoch. Je dôležité, že v reálnych systémoch je pojem rezonančnej frekvencie neoddeliteľne spojený šírku pásma, teda frekvenčný rozsah, v ktorom sa odozva systému len málo líši od odozvy na rezonančnej frekvencii. Šírka pásma je určená faktor kvality systému.

mikrovlnná rúra

V mikrovlnnej elektronike sa hojne využívajú dutinové rezonátory, najčastejšie valcovej alebo toroidnej geometrie s rozmermi rádovo vlnovej dĺžky, pri ktorých sú možné kvalitné kmity elektromagnetického poľa na jednotlivých frekvenciách určených okrajovými podmienkami. Najvyšší kvalitatívny faktor majú supravodivé rezonátory, ktorých steny sú vyrobené zo supravodiča, a dielektrické rezonátory s režimami šepkajúcej galérie.

Optika

Akustika

Rezonancia je jedným z najdôležitejších fyzikálnych procesov používaných pri navrhovaní zvukových zariadení, z ktorých väčšina obsahuje rezonátory, ako sú struny a telo huslí, píšťala flauty a telo bicích.

astrofyzika

Orbitálna rezonancia v nebeskej mechanike je situácia, v ktorej dve (alebo viaceré) nebeské telesá majú obežné periódy, ktoré súvisia ako malé prirodzené čísla. Výsledkom je, že tieto nebeské telesá na seba pravidelne pôsobia gravitačne, čo môže stabilizovať ich dráhy.

Rezonančná metóda ničenia ľadu

Je známe, že keď sa náklad pohybuje po ľadovej pokrývke, vzniká systém ohybových gravitačných vĺn (IGW). Ide o kombináciu ohybových vibrácií ľadovej platne a s tým spojených gravitačných vĺn vo vode. Keď je rýchlosť nakladania blízka minimálnej fázovej rýchlosti z IGW, voda prestane podopierať ľadovú pokrývku a podporu poskytujú iba elastické vlastnosti ľadu. Amplitúda IGW sa prudko zvyšuje a pri dostatočnom zaťažení začína deštrukcia. Spotreba energie je niekoľkonásobne nižšia (v závislosti od hrúbky ľadu) v porovnaní s ľadoborecmi a nadstavcami na lámanie ľadu. Táto metóda ničenia ľadu je známa ako rezonančná metóda ničenia ľadu Vedec Viktor Michajlovič Kozin získal experimentálne teoretické krivky, ktoré ukazujú možnosti jeho metódy.

Poznámky

pozri tiež

Literatúra

• Richardson LF(1922), Predpoveď počasia numerickým procesom, Cambridge.
• Bretherton F.P.(1964), Rezonančné interakcie medzi vlnami. J. Fluid Mech., 20, 457-472.
• Blombergen N. Nelineárna optika, M.: Mir, 1965. - 424 s.
• Zacharov V. E.(1974), Hamiltonovský formalizmus pre vlny v nelineárnych médiách s disperziou, Izv. univerzity ZSSR. Rádiofyzika, 17(4), 431-453.
• Arnold V.I. Strata stability vlastných oscilácií v blízkosti rezonancií, Nelineárne vlny, Ed. A. V. Gaponov-Sins. - M.: Nauka, 1979. S. 116-131.
• Kaup PJ, Reiman A. a Bers A(1979), Časopriestorový vývoj nelineárnych trojvlnových interakcií. Interakcie v homogénnom médiu, Rev. modernej fyziky, 51 (2), 275-309.
• Haken H(1983), Pokročilá synergetika. Hierarchie nestability samoorganizujúcich sa systémov a zariadení, Berlín, Springer-Verlag.
• Phillips O.M. Interakcia vĺn. Evolúcia myšlienok, moderná hydrodynamika. Úspechy a problémy. - M.: Mir, 1984. - S. 297-314.
• Zhuravlev V.F., Klimov D.M. Aplikované metódy v teórii oscilácií. - M.: Nauka, 1988.
• Sukhorukov A.P. Nelineárne vlnové interakcie v optike a rádiofyzike. - M.: Nauka, 1988. - 232 s.
• Bruno A.D. Obmedzený problém troch telies. - M.: Nauka, 1990.

Odkazy

• Ukážka javu rezonancie na príklade vynútených kmitov pružinového kyvadla

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite si, čo je „rezonancia“ v iných slovníkoch:

- (franc. rezonancia, z lat. rezono zniem ako odpoveď, reagujem), pomerne veľká selektívna (selektívna) odozva oscilačného systému (oscilátora) na periodikum. náraz s frekvenciou blízkou frekvencii jej vlastnej. výkyvy. S R........... Fyzická encyklopédia

- (fr., z lat. resonare počuť). V akustike: podmienky pre úplné šírenie zvuku. Doska používaná na zosilnenie zvučnosti strún v hudobných nástrojoch. Slovník cudzích slov zahrnutých v ruskom jazyku. Chudinov A.N., 1910. ... ... Slovník cudzích slov ruského jazyka

Rezonancia- Rezonancia: rezonančné krivky lineárnych oscilátorov pri rôznych faktoroch kvality Q(Q3>Q2>Q1), x intenzita kmitania; b závislosť fázy od frekvencie pri rezonancii. RESONANCE (francúzsky rezonancia, z lat. rezono odpovedám), ostrý ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník

RESONANCE, rezonancia, pl. nie, manžel. (z lat. rezonans dávajúce ozvenu). 1. Recipročné ozvučenie jedného z dvoch telies ladených unisono (fyzicky). 2. Schopnosť zvýšiť silu a trvanie zvuku v miestnostiach, na vnútornom povrchu ... ... Vysvetľujúci slovník Ushakov

Echo, rezonón, mezomerizmus, odozva, hadrón, častica, ozvena Slovník ruských synoným. rezonancia, pozri odpoveď Slovník synoným ruského jazyka. Praktický sprievodca. M.: ruský jazyk. Z. E. Alexandrova. 2… Slovník synonym

MBOU Lokotskaya stredná škola č. 1 pomenovaná po. P.A.Marková

Téma výskumu:

"Rezonancia v prírode a technológii"

Splnené:

Žiak 10. ročníka

Kosťukov Sergej

vedúci:

Učiteľ fyziky

Golovneva Irina

Alexandrovna

"Začať vo vede"

Lakť 2013

Čo je rezonancia?

Škody a výhody rezonancie.

Príklady rezonancie.

História objavov.

elektrická rezonancia.

Aplikácia elektrickej rezonancie.

Rezonancia v mechanike, elektrotechnike, mikrovlnke,

akustika, optika a astrofyzika.

Cieľ projektu je štúdium fenoménu rezonancie.

Relevantnosť projektu.

Fenomén rezonancie má veľký význam pre takmer všetky aplikované odvetvia elektrotechniky a veľmi aktívne sa využíva v rádiotechnike, v aplikovanej akustike, v elektrotechnike, elektronike a iných odvetviach.

Na dosiahnutie cieľa boli stanovené tieto úlohy:

Analyzujte odbornú literatúru na túto tému.

Preskúmajte históriu rezonancie.

Odhaliť podstatu fenoménu rezonancie.

Ukážte využitie fenoménu rezonancie v rôznych odvetviach techniky.

Teoretická časť.

Rezonancia- fenomén prudkého zvýšenia amplitúdy vynútených oscilácií, ku ktorému dochádza, keď sa frekvencia vonkajšieho pôsobenia blíži k určitým hodnotám (rezonančné frekvencie),

určené vlastnosťami systému.

Zvýšenie amplitúdy je len dôsledkom rezonancie a dôvodom je zhoda vonkajšej (budiacej) frekvencie s vnútornou (prirodzenou) frekvenciou oscilačného systému.

Pomocou fenoménu rezonancie možno izolovať a zosilniť aj veľmi slabé periodické kmity.

Rezonancia je jav, pri ktorom pri určitej frekvencii hnacej sily oscilačný systém obzvlášť reaguje na pôsobenie tejto sily. Stupeň odozvy v teórii oscilácií je opísaný veličinou nazývanou faktor kvality.

Použitie:

Rozpustenie sušeného mlieka vo vode.

Rezonátory v hudobných nástrojoch.

Zobrazovanie tela magnetickou rezonanciou.

Hojdačka hojdačka.

Húpanie jazykom zvončeka.

Rezonančné zámky a kľúče.

Škody:

Zničenie štruktúr.

Prerušenie drôtu.

Striekajúca voda z vedra.

Húpanie auta na križovatkách koľajníc.

Vibrácie v potrubiach.

Kývanie bremena na žeriave.

Zničenie mosta v dôsledku toho, že sa pochodovalo.

Rezonancia mosta pri pôsobení periodických otrasov pri prechode vlaku cez koľajové spoje.

Niektoré nedávne okolnosti umožnili vnímať skalné otrasy ako laboratórny model prirodzených zemetrasení. Teda predpokladať, že aj prirodzené zemetrasenia majú rezonančný pôvod.

Existujú prípady, keď sa celé lode dostali do rezonancie pri určitých počtoch otáčok vrtuľového hriadeľa.

Fenomén rezonancie prvýkrát opísal Galileo Galilei v roku 1602 v prácach venovaných štúdiu kyvadla a hudobných strún.

Aplikácia fenoménu elektrickej rezonancie v technike.

Ak sa frekvencia ω vonkajšej sily priblíži k vlastnej frekvencii ω0, dôjde k prudkému zvýšeniu amplitúdy vynútených kmitov. Tento jav sa nazýva rezonancia. Závislosť amplitúdy xm vynútených kmitov od frekvencie ω hnacej sily sa nazýva rezonančná charakteristika alebo rezonančná krivka (obr. 2).

Pri rezonancii môže byť amplitúda xm kmitania záťaže mnohonásobne väčšia ako amplitúda ym kmitania voľného (ľavého) konca pružiny spôsobeného vonkajším vplyvom. Pri absencii trenia by sa mala amplitúda vynútených kmitov pri rezonancii zvyšovať donekonečna. V reálnych podmienkach je amplitúda ustálených vynútených kmitov určená podmienkou: práca vonkajšej sily počas periódy kmitov sa musí rovnať strate mechanickej energie za rovnaký čas v dôsledku trenia. Čím nižšie je trenie (t.j. čím vyšší je faktor kvality Q oscilačného systému), tým väčšia je amplitúda vynútených oscilácií pri rezonancii.

Pre oscilačné systémy s nie príliš vysokým faktorom kvality (

Fenomén rezonancie môže spôsobiť deštrukciu mostov, budov a iných stavieb, ak sa vlastné frekvencie ich kmitov zhodujú s frekvenciou periodicky pôsobiacej sily, ktorá vznikla napríklad rotáciou nevyváženého motora.

Obrázok 2

Rezonančné krivky pri rôznych úrovniach tlmenia: 1 – oscilačný systém bez trenia; pri rezonancii sa amplitúda xm vynútených kmitov neobmedzene zvyšuje; 2, 3, 4 - reálne rezonančné krivky pre oscilačné systémy s rôznymi faktormi kvality: Q2 Q3 Q4. Pri nízkych frekvenciách (ω ω0) xm → 0.

elektrická rezonancia.

Fenomén zvýšenia amplitúdy prúdových oscilácií, keď sa frekvencia vonkajšieho zdroja zhoduje s prirodzenou frekvenciou elektrického obvodu, sa nazýva elektrická rezonancia.

Fenomén elektrickej rezonancie hrá užitočnú úlohu pri ladení rádiového prijímača na požadovanú rozhlasovú stanicu, zmenou hodnôt indukčnosti a kapacity je možné zabezpečiť, aby sa vlastná frekvencia oscilačného obvodu zhodovala s frekvenciou. elektromagnetických vĺn vyžarovaných akoukoľvek rádiovou stanicou. V dôsledku toho sa v obvode objavia rezonančné malé. Týmto sa naladí rádio na požadovanú stanicu.

Ďalšou vlastnosťou elektrickej rezonancie je možnosť jej použitia v motoroch s aktívnymi permanentnými magnetmi. Keďže riadiaci elektromagnet periodicky mení polaritu, t.j. napájané striedavým prúdom možno do oscilačného obvodu zaradiť elektromagnety s kapacitou.

Zapojenie elektromagnetov môže byť sériové, paralelné alebo kombinované a kapacita sa volí podľa rezonancie pri pracovnej frekvencii motora, pričom priemerná hodnota prúdu cez elektromagnety bude veľká a externé napájanie prúdu bude hlavne kompenzovať aktívne straty. Zdá sa, že tento režim prevádzky bude z hľadiska účinnosti najatraktívnejší a motor sa v tomto prípade bude nazývať stepper magnetickej rezonancie.

mechanika.

Mechanický rezonančný systém, ktorý je väčšine ľudí známy, je zvyčajná hojdačka. Ak zatlačíte na hojdačku podľa jej rezonančnej frekvencie, rozsah pohybu sa zväčší, inak pohyb zanikne.

Rezonančné javy môžu spôsobiť nezvratné poškodenie rôznych mechanických systémov. Činnosť mechanických rezonátorov je založená na premene potenciálnej energie na kinetickú energiu.

Reťazec.

Struny nástrojov ako lutna, gitara, husle alebo klavír majú základnú rezonančnú frekvenciu, ktorá priamo súvisí s dĺžkou, hmotnosťou a napätím struny. Zvyšovaním napätia struny a znižovaním jej hmotnosti (hrúbky) a dĺžky sa zvyšuje jej rezonančná frekvencia. Frekvencie však nie sú harmonické vibrácie, ktoré sú vnímané ako hudobné noty.

Elektronika.

V elektronických zariadeniach dochádza k rezonancii pri určitej frekvencii, keď sú indukčné a kapacitné zložky reakcie systému vyvážené, čo umožňuje cirkuláciu energie medzi magnetickým poľom indukčného prvku a elektrickým poľom kondenzátora.

Mechanizmus rezonancie spočíva v tom, že magnetické pole induktora generuje elektrický prúd, ktorý nabíja kondenzátor, a vybitie kondenzátora vytvára magnetické pole v

sa mnohokrát opakuje, analogicky s mechanickým kyvadlom.

V mikrovlnnej elektronike sa hojne využívajú dutinové rezonátory, najčastejšie valcovej alebo toroidnej geometrie s rozmermi rádovo vlnovej dĺžky, pri ktorých sú možné kvalitné kmity elektromagnetického poľa na jednotlivých frekvenciách určených okrajovými podmienkami.

Optika.

V optickej oblasti je najbežnejším typom rezonátora Fabry-Perotov rezonátor, tvorený

dvojica zrkadiel, medzi ktorými sa v rezonancii vytvorí stojaté vlnenie. Typy optických rezonátorov Fabry-Perotovho typu:

1. Plano - rovnobežka;

2. Sústredné (sférické);

3. pologuľovité;

4. konfokálne;

5. Konvexno-konkávne.

Akustika.

Rezonančné javy možno pozorovať na mechanických vibráciách akejkoľvek frekvencie, najmä na zvukových vibráciách. V nasledujúcom experimente máme príklad zvukovej alebo akustickej rezonancie.

Umiestnime dve rovnaké ladičky vedľa seba, pričom otvory škatúľ, na ktorých sú namontované, otočíme k sebe (obr. 40). Boxy sú potrebné, pretože zosilňujú zvuk ladičiek. Je to spôsobené rezonanciou medzi ladičkou a stĺpcom vzduchu obsiahnutým v krabici; preto sa boxy nazývajú rezonátory alebo rezonančné boxy. Činnosť týchto boxov si podrobnejšie vysvetlíme nižšie, pri štúdiu šírenia zvukových vĺn vo vzduchu. V experimente, ktorý teraz rozoberieme, je úloha škatúľ čisto pomocná.

Ryža. 40. Rezonancia ladičiek

Udrieme do jednej ladičky a potom ju utlmíme prstami. Budeme počuť zvuk druhej ladičky.

Vezmime si dve rôzne ladičky, teda s rôznymi výškami, a experiment zopakujeme. Teraz už každá z ladičiek nebude reagovať na zvuk inej ladičky.

Tento výsledok nie je ťažké vysvetliť. Kmity jednej ladičky (1) pôsobia vzduchom s určitou silou na druhú ladičku (2), čo spôsobuje vynútené oscilácie. Keďže ladička 1 vykonáva harmonické kmitanie, sila pôsobiaca na ladičku 2 sa bude meniť podľa zákona harmonického kmitania s frekvenciou ladičky 1. Ak je frekvencia sily rovnaká ako vlastná frekvencia ladičky 2 , potom je rezonancia - ladička 2 silne kýva. Ak je frekvencia sily iná, tak vynútené kmity ladičky 2 budú také slabé, že ich nepočujeme.

Keďže ladičky majú veľmi malé tlmenie, ich rezonancia je ostrá (§ 14). Preto aj malý rozdiel medzi frekvenciami ladičiek vedie k tomu, že jedna prestane reagovať na vibrácie druhej. Stačí napríklad prilepiť kúsky plastelíny alebo vosku na nohy jednej z dvoch rovnakých ladičiek a ladičky už budú rozladené, nebude rezonancia.

Vidíme, že všetky javy pri vynútených vibráciách sa vyskytujú pri ladičkách rovnako ako pri pokusoch s vynútenými vibráciami bremena na pružine (§ 12).

Ak je zvuk notou (periodická vibrácia), ale nie tónom (harmonická vibrácia), znamená to, ako vieme, že pozostáva zo súčtu tónov: najnižšieho (základného) a podtónov. Ladička by mala s takýmto zvukom rezonovať vždy, keď sa frekvencia ladičky zhoduje s frekvenciou niektorej z harmonických zložiek zvuku. Experiment možno vykonať so zjednodušenou sirénou a ladičkou umiestnením otvoru rezonátora ladičky proti prerušovanému prúdu vzduchu. Ak je frekvencia ladičky , potom, ako môžete ľahko vidieť, bude reagovať na zvuk sirény nielen pri 300 prerušeniach za sekundu (rezonancia na hlavný tón sirény), ale aj pri 150 prerušeniach - rezonancia na prvý tón sirény a pri 100 prerušeniach - rezonancia na druhý tón atď.

Nie je ťažké reprodukovať zvukovými vibráciami pokus analogický pokusu so súpravou kyvadiel (§ 16). K tomu potrebujete mať iba sadu zvukových rezonátorov - ladičky, struny, organové píšťaly. Je zrejmé, že struny klavíra alebo klavíra tvoria presne taký a navyše veľmi rozsiahly súbor oscilačných systémov s rôznymi vlastnými frekvenciami. Ak po otvorení klavíra a stlačení pedálu nahlas zaspievame nejaký tón cez struny, budeme počuť, ako nástroj reaguje zvukom rovnakej výšky a podobného zafarbenia. A tu náš hlas vytvára vzduchom periodickú silu pôsobiacu na všetky struny. Avšak len tie z nich reagujú, ktoré sú v rezonancii s harmonickými vibráciami - hlavnými a podtónmi, ktoré sú súčasťou noty, ktorú sme spievali.

Experimenty s akustickou rezonanciou teda môžu slúžiť aj ako výborná ilustrácia platnosti Fourierovej vety.

Rezonancia je jedným z najdôležitejších fyzikálnych procesov používaných pri navrhovaní zvukových zariadení, z ktorých väčšina obsahuje rezonátory, ako sú struny a telo huslí, trubica flauty, telo bicích.

Infrazvuk vysokej intenzity, ktorý má za následok rezonanciu, v dôsledku zhody frekvencií vibrácií vnútorných orgánov a infrazvuku vedie k narušeniu práce takmer všetkých vnútorných orgánov, smrť je možná v dôsledku zástavy srdca alebo prasknutia krvných ciev. Je potrebné prijať osobitné opatrenia proti vzniku zvukových vibrácií s nasledujúcimi frekvenciami, pretože zhoda frekvencií vedie k rezonancii:

Prirodzené (rezonančné) frekvencie niektorých častí ľudského tela

20-30 Hz
rezonancia hlavy
40-100 Hz
očná rezonancia
0.5-13 Hz
rezonancia vestibulárneho aparátu
4-6 Hz
srdcová rezonancia
2-3 Hz
rezonancia žalúdka
2-4 Hz
rezonancia čreva
6-8 Hz
obličková rezonancia
2-5 Hz
rezonancia ruky
5-7 Hz
vyvoláva strach a paniku

astrofyzika.

Orbitálna rezonancia v nebeskej mechanike je situácia, v ktorej dve (alebo viaceré) nebeské telesá majú obežné periódy, ktoré súvisia ako malé prirodzené čísla. Výsledkom je, že tieto nebeské telesá vyvíjajú pravidelnú gravitáciu

sa navzájom ovplyvňujú, čo môže stabilizovať ich obežné dráhy.

Verejná odozva.

Verejná rezonancia je reakcia mnohých ľudí (rozhorčenie, vzrušenie, reakcie atď.) na určité činy (informácie, správanie, vyhlásenia atď.) niekoho alebo niečoho. Verejné pobúrenie môže byť vyvolané umelo upútaním pozornosti verejnosti na určitú spoločenskú alebo politickú udalosť prostredníctvom médií.

Niektoré skupiny navyše využívajú verejnú rezonanciu na vyvíjanie tlaku na súdnictvo, výkonnú a zákonodarnú moc, vládu, verejné organizácie a politické strany.

Záver.

Výsledkom vzniku projektu bolo množstvo výskumných prác zameraných na štúdium fenoménu rezonancie: práca s odbornou literatúrou, sledovanie videí, rozhovory so žiakmi 10. ročníka.Počas práce som zistil, že fenomén rezonancie je tzv. pre človeka veľmi dôležitý fyzikálny jav a využíva sa v mnohých odvetviach vedy a techniky. Ale spolu s výhodami môže rezonancia spôsobiť aj škodu.

Projekt je možné použiť ako doplnkový materiál pri štúdiu témy „Rezonancia“ v 9. a 11. ročníku.

Zoznam použitej literatúry:

sk.wikipedia.org

1. mirslovarei.com - čo je to verejné pobúrenie (materiál z Politického slovníka)

4. M. Aplikované metódy v teórii oscilácií. - M.: Nauka, 1988.

5. Univerzálna referenčná kniha, S.Yu. Kurganov, N.A. Gyrdymová - M.: Eksmo, 2011.