1.1 Явление резонанса

Явление, при котором наблюдается резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, называется резонансом.

Резонансная частота определяется из условия максимума для амплитуды вынужденных колебаний:

(3)

Тогда, подставив это значение в выражение для амплитуды, получим:

(4)

При отсутствии сопротивления среды амплитуда колебаний при резонансе обращалась бы в бесконечность; резонансная частота при тех же условиях (b = 0) совпадает с собственной частотой колебаний.

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы (или, что то же самое, от частоты колебаний) можно представить графически (рис. 2). Отдельные кривые соответствуют различным значениям “b”. Чем меньше “b”, тем выше и правее лежит максимум данной кривой (см. выражение для w_рез.). При очень большом затухании резонанс не наблюдается - с увеличением частоты амплитуда вынужденных колебаний монотонно убывает (нижняя кривая на рис. 2).

Рис 2. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы

Совокупность представленных графиков, соответствующих различным значениям b, называется резонансными кривыми. Замечания по поводу резонансных кривых: при стремлении w®0 все кривые приходят к одному, отличному от нуля значению, равному . Это значение представляет собой смещение из положения равновесия, которое получает система под действием постоянной силы F₀. При w®¥ все кривые асимптотически стремятся к нулю, т.к. при большой частоте сила так быстро изменяет свое направление, что система не успевает заметно сместится из положения равновесия. Чем меньше b, тем сильнее изменяется с частотой амплитуда вблизи резонанса, тем «острее» максимум.

Рис.5 Явление резонанса в последовательном электрическом контуре

Однопараметрическое семейство резонансных кривых, может быть построено, особенно легко с помощью компьютера. Результат такого построения показан на Рис. 3. Переход к «обычным» единицам измерения может быть проведен элементарным изменением масштаба осей координат.

Рис. 3. Функция, определяющая величину затухания

Частота вынуждающей силы, при которой амплитуда вынужденных колебаний максимальна, также зависит от коэффициента затухания, слегка убывая с ростом последнего. Наконец, подчеркнем, что увеличение коэффициента затухания приводит к существенному увеличению ширины резонансной кривой.

Возникающий сдвиг фаз между колебаниями точки и вынуждающей силой также зависит от частоты колебаний и коэффициента их затухания. Более подробно с ролью этого сдвига фаз мы познакомимся при рассмотрении преобразования энергии в процессе вынужденных колебаний.

Вынужденные колебания представляют в некоторых случаях опасность для нормальной работы машин и целости сооружений. Даже незначительная по величине возмущающая сила, действующая периодически на конструкцию, может при определенных условиях оказаться более опасной, чем постоянная сила, которая во много десятков раз больше ее по величине.

Действие колебаний проявляется зачастую не в непосредственной близости от места действия возмущающих сил, как это можно ожидать, а в местах, удаленных от него и даже в системе, непосредственно не связанной с конструкцией, подверженной колебаниям. Так, например. работа машины вызывает колебания как здания, в котором машина помещается, так и здания, расположенного рядом; работа дизеля водокачки может вызвать колебания близко расположенного железнодорожного моста и т.п.

Причиной этих своеобразных явлений служит способность всякого сооружения совершать упругие колебания определенной частоты. Сооружение можно уподобить музыкальному инструменту, способному издавать звуки определенной высоты и отзываться на эти звуки, если они раздаются извне. При действии на сооружение периодической нагрузки с определенной частотой особенно значительные колебания будут возникать в той части сооружения, которая имеет собственную частоту, близкую к этой частоте или кратную ей. Таким образом, в этой части конструкции, даже если она удалена от места приложения нагрузки, может возникнуть явление резонанса. кол

Рис.8 Резонанс в повседневной жизни резонанс техника успокоитель

Это явление наступает тогда, когда частота возмущающей силы равна частоте собственных колебаний системы.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой системы, способной совершать колебания, называется резонансом.

Явление резонанса важно потому, что оно проявляется достаточно часто. С резонансом сталкивался каждый, кто раскачивал, например, ребенка на качелях. Это довольно трудно сделать, если закрыть глаза и беспорядочно толкать качели. Но если найти правильный ритм, то раскачать качели легко. Наибольшего результата, таким образом, можно достичь лишь тогда, когда время между отдельными толчками будет совпадать с периодом колебаний качелей, т.е. выполняется условие резонанса.

С явлением резонанса приходится считаться при конструировании машин и различного рода сооружений. Собственная частота колебаний этих устройств ни в коем случае не должна быть близка к частоте возможных внешних воздействий. Так, например, собственная частота вибраций корпуса корабля или крыльев самолета должна сильно отличаться от частоты колебаний, которые могут возбуждаться при вращении гребного винта корабля или пропеллера самолета. В противном случае возникают вибрации большой амплитуды, которые могут привести к разрушению обшивки и катастрофе. Известны случаи, когда обрушивались мосты при прохождении по ним марширующих колонн солдат. Это происходило потому, что собственная частота колебаний моста оказывалась близкой к частоте, с которой шагала колонна.

Вместе с тем явление резонанса часто оказывается весьма полезным. Благодаря резонансу, например, стало возможным использование ультразвуковых колебаний, т.е. звуковых колебаний большой частоты, в медицине: для разрушения камней, которые иногда образуются в организме человека, для диагностики различных заболеваний. По той же причине ультразвуковые колебания могут убивать некоторые микроорганизмы, в том числе и болезнетворные.

Явление резонанса в электрических цепях при совпадении их собственных частот с частотами электромагнитных колебаний радиоволн позволяет нам при помощи своих приемников принимать теле- и радиопередачи. Это почти единственный метод, позволяющий отделить сигналы одной (нужной) радиостанции от сигналов всех остальных (мешающих) станций. Резонансом при совпадении частоты электромагнитных колебаний с собственными частотами атомов можно объяснить поглощение света веществом. А это поглощение лежит в основе поглощения тепла от Солнца, в основе нашего зрения и даже в основе работы СВЧ-печи.

Однако в слове «резонанс», от латинского resono - откликаюсь, кроется ключ к установлению подобия между весьма разнородными процессами, когда на периодическое внешнее воздействие нечто, способное колебаться, отвечает увеличением размаха собственных колебаний. Иначе говоря, когда малые причины способны привести к большим последствиям.

Выявив эту особенность, вы легко продолжите список примеров и, как это часто бывает, обнаружите как полезные, так и вредные проявления резонанса. Универсальность в описании колебательных процессов, в том числе и резонанса, послужила ученым путеводной звездой при освоении неизведанных ранее областей, например мира микроявлений. А это привело к созданию таких мощных методов исследования строения вещества, как электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс. Еще в античном театре для усиления голоса актера использовались большие глиняные или бронзовые сосуды (прообразы резонаторов Гельмгольца), представляющие собой полости шарообразной или бутылочной формы с узким длинным горлом.

Издревле звонари на колокольнях бессознательно использовали явление резонанса, раскачивая тяжелый колокол незначительными, но ритмичными толчками. А в Кёльнском соборе в свое время был подвешен колокол, качавшийся в фазе со своим языком, что не позволяло извлечь из него никаких звуков. В начале 30-х годов XX века практически все авиаторы столкнулись с загадочным явлением, названным флаттером, когда самолеты в спокойном горизонтальном полете неожиданно начинали вибрировать с такой силой, что разваливались в воздухе на куски. Как выяснилось, флаттер порождался причинами, подобными тем, что вызвал изменения, а увеличение частоты, связанное с ростом скорости, приводит к повышению тона.

Изоляция кабелей, испытанная в лаборатории с помощью постоянного напряжения, порой пробивалась при работе с переменным током. Оказалось, что это происходит при совпадении периода пульсаций тока с периодом собственных электрических колебаний кабеля, что приводило к нарастанию напряжения, многократно превышающего пробойное. Даже в гигантских современных циклотронах - ускорителях заряженных частиц - используется простой принцип, заключающийся в обеспечении резонанса между движением частицы по спиральной траектории и переменным электрическим полем, периодически «подхлестывающим» частицу.