Совпадение колебаний как называется
Явление резонанса в физике
Обновлено: 27 Июня 2021
Понятие «резонанса», возникшее для обозначения одного из самых важных явлений в физике, прочно вошло в повседневное употребление. Многим знакомы такие расхожие фразы как «общественный резонанс» или «резонансная черта», однако не многие знают, каково первоначальное значение термина.
Что такое резонанс
Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 году в работах, посвящённых исследованию маятников и музыкальных струн. В этой области итальянский физик сделал много открытий, которые послужили основой для дальнейшего изучения феномена.
Резонанс в физике — это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое воздействие извне, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой резкое увеличение амплитуды колебаний этой системы.
Иначе говоря, резонанс — это отклик на некий внешний раздражитель. Представьте, что на тело, находящееся в состоянии покоя или совершающее амплитудные движения определенной частоты, начал оказывать воздействие раздражитель извне с собственной амплитудой и частотой. Если эта внешняя сила просто выведет тело из равновесия, а затем перестанет действовать, то оно какое-то время станет колебаться около своего положения равновесия. Частота этих колебаний является собственной частотой колебаний тела. Если же движение внешнего раздражителя, выводящего тело из равновесия, совпадет с его частотой, то амплитуда тела станет увеличиваться.
Чтобы упростить понимание явления, для примера обычно приводят механизм катания на качелях. Если после раскачивания, сидя на качелях, не вмешиваться в процесс, то через пару минут они остановятся.Но если во время «полета» подталкивать их своим телом по направлению движения, амплитуда будет возрастать, и качели продолжат совершать вынужденные колебания.
Колебания — процесс изменения состояний системы, которые повторяются через определенные промежутки времени.
По отношению к качелям ваши движения являются внешней силой, которая вынуждает их подниматься выше. Причем сила воздействия не так важна. Даже небольшое движение внешней силы при совпадении с частотой системы, может увеличить ее амплитуду. Так, маленькому ребенку удается раскачать взрослого человека, подстроившись под движение качелей.
Частота колебаний измеряется в герцах (1 Гц) и обозначает количество колебаний в секунду. Например, частота колебаний в 20 Гц говорит о том, что тело совершает 20 колебаний в одну секунду.
Резонировать могут любые упругие физические тела — твердые, жидкие, газообразные. Главным условием резонанса является наличие у тела собственной резонансной частоты.
Виды резонанса
В физике выделяют механический и звуковой резонанс.
Механический резонанс — это абсолютное или неполное совпадение частоты собственных колебаний любой механической системы с частотой изменения электродинамической силы. Механический резонанс бывает полным, если частоты колебаний системы и внешней силы совпадают полностью, либо частичным, когда совпадение неполно. Он основан на переходе потенциальной энергии в кинетическую и обратно.
Наиболее известной резонансной системой являются качели, частоту которых можно рассчитать по формуле:
Механические резонансные частоты имеют большое значение при строительстве различных сооружений. Совпадение колебания составных частей объекта с внешними силами может привести к резонансной катастрофе, поэтому при проектировании мостов, зданий, самолетов и других сооружений, инженеры всегда учитывают колебательные частоты ожидаемого движения.
Звуковой резонанс — это резонанс, вызванный звуковыми волнами. Это явление, при котором акустические системы усиливают звуковые волны. При этом частота этих волн совпадает с резонансной частотой системы. Акустический тип резонирования имеет основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.
Самым простым примером для понимания звукового резонанса является наблюдение за взаимодействием двух камертонов:
Это феномен является следствием того, что волны, образованные первым камертоном, доходят до второго, возбуждая в нем вынужденные колебания. В итоге одинаковая частота камертонов приводит к резонансу.
Акустический резонанс — важный фактор, который учитывается музыкальными мастерами при создании инструментов. Звуковая волна ударяет по объекту с частотой, соответствующей резонансной части инструмента, что приводит к резонансу. В струнных инструментах резонаторами выступают деки, усиливающие звуки, которые издают струны. Звучание и тембр зависят не только он формы резонатора, но и от качества и вида древесины и даже состава лака, которым покрывают готовый инструмент.
Звучание человеческого голоса также отражается благодаря резонаторам в голосовом аппарате. Звучащим телом является воздух, ограниченный стенками дыхательного тракта. Звук отражается от полостей с твердыми стенками, усиливаясь в несколько раз. Эти полости называются резонаторами.
Плюсы и минусы резонансных явлений
Резонанс является одним из важнейших физический явлений, без которого невозможно представить человеческий мир. Но при этом он имеет как положительные, так и отрицательные последствия.
Плюсы:
Минусы:
Чтобы нейтрализовать или предотвратить вредное воздействие резонации, применяются специальные меры блокирования. Например, превентивное изменение частоты собственных колебаний.
Примеры резонансных явлений в жизни
В повседневной жизни мы нередко интуитивно применяем явление резонанса, даже не задумываясь о том, что используем правила физики. Например, когда застрявшую в яме машину понемногу раскачивают и начинают толкать в момент ее самостоятельного движения. Таким образом, повышается ее инерция и, следовательно, растет амплитуда колебаний.
Проявление музыкального резонанса можно легко обнаружить во взаимодействии с музыкальным инструментом. К примеру, пропев любую ноту над струнами открытого пианино, вы услышите, что инструмент откликается на пение.
Примером отрицательного резонанса является резкий рост амплитуды колебаний, способный разрушить мост под ногами людей. Подобное катастрофические крушение моста произошло около века назад в Петербурге, когда он начал разваливаться под ногами солдат. Поэтому, проходя по мосту, солдаты перестают маршировать стройным шагом, чтобы частота ударов сапог не могла совпасть с частотой колебания моста.
Еще один известный пример отрицательного воздействия на мост произошел в Америке в 1940 году. Двухкилометровый Такомский подвесной мост колебался и сгибался на ветру, что, в результате, привело к тому, что он разрушился во время очередной бури спустя четыре месяца эксплуатации.
Если вам интересно узнать о других необычных явлениях физики, обращайтесь к специалистам Феникс.Хэлп за быстрым и актуальным ответом.
Механический резонанс (что такое формула)
Механический резонанс это с овпадение частоты собственных колебаний системы с частотой внешней силы, действующей на систему, приводит к резонансу — резкому увеличению амплитуды колебания. При резонансе, даже если амплитуда вынуждающей силы не велика, амплитуда колебаний может достичь значительной величины.
Что такое механический резонанс
Если колебания какого-либо тела возбуждены однократным толчком, после которого тело предоставлено самому себе, то эти колебания называются собственными.
Частоту собственных колебаний обозначим через v0. Если тело получает последовательные толчки, следующие друг за другом с некоторой частотой v, которая не совпадает c собственной частотой v0 тела, то тело совершает колебания не с частотой v0, которая ему самому свойственна, а с насильно навязанной ему частотой.
Такие колебания тела под действием внешней периодически действующей силы называются вынужденными.
Частота внешней вынуждающей периодической силы, действующей на колебательную систему, может совпадать с частотой собственных колебаний и не совпадать.
Примером может служит обычные качели, для расчета можно воспользоваться формулой:
Условие механического резонанса
На рис. показана графически зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты возбуждения. При собственных колебаниях вследствие трения амплитуда колебания уменьшается и колебания затухают.
При вынужденных колебаниях вынуждающая сила, совершая работу над колеблющейся системой, за каждый период пополняет ее энергией. Когда частоты вынужденных и собственных колебаний совпадают, вынуждающая сила совершает наибольшую работу.
На преодоление сил сопротивления затрачивается некоторая энергия. Амплитуда колебаний возрастает, если энергия, получаемая системой в течение одного полного колебания, превосходит величину работы, совершаемой силами сопротивления за это же время.
Однако величина работы сил сопротивления увеличивается с ростом амплитуды колебаний.
Наконец, наступит момент, когда энергия, сообщенная системе за время одного колебания, будет равна работе сил сопротивления за это же время.
Если сопротивление незначительное, амплитуда колебаний при резонансе имеет большую величину (кривая 1 на рис. 47). При большом сопротивлении амплитуды вынужденных колебаний малы, а резонансная кривая имеет пологий и низкий максимум (кривая 2 на рис. ).
Применение пример механического резонанса
Явления резонанса широко используются в технике в различных вибраторах и вибростендах.
Вибраторы — это устройства с преднамеренным возбуждением вибрации (механических колебаний) для выполнения полезных функций, например, для уплотнения грунта и бетонной смеси, для погружения в грунт свай и труб, для очистки литья, удаления окалины и продуктов коррозии с поверхности деталей и др.
На вибрационных стендах испытывают изделия на вибропрочность и виброустойчивость.
Проектировать машины и различные сооружения, которые подвергаются нагрузкам следует так, чтобы избежать их разрушения при значительном возрастании амплитуды колебаний вследствие резонанса.
Так к примеру на вагоны для гашения резонансных свойств устанавливают две параллельные пружины которые имеют разные жосткости.
Пример решения задачи
С какой скоростью должен ехать поезд, чтобы пассажиры ощущали очень сильное вертикальное раскачивание вагона? Длина рельсов между стыками 25 м, и период собственных вертикальных колебаний вагона 2 с.
Дано:
Найти:
Решение:
Пассажиры будут ощущать сильное вертикальное раскачива ние вагона при резонансе, когда частота ударов вагона о стыки рельсов совпадаете частотой собственных вертикальных колебаний вагона.
Резонанс наступит тогда, когда вагон будет проходить 25 м за 2 с, а это возможно при скорости:
Вызывать резонанс могут и скорости, кратные этому числу.
Ответ: 12,5 м/с.
Факты о механическом резонансе
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Колебания и волны
Колебательное движение
Колебательная система
Это система взаимодействующих тел (минимум два тела), которые способны совершать колебания. Простейшими колебательными системами являются маятники.
Характеристика колебаний
Фаза определяет состояние системы, а именно координату, скорость, ускорение, энергию и др.
Циклическая частота характеризует скорость изменения фазы колебаний.
Начальное состояние колебательной системы характеризует начальная фаза 
Частота, циклическая частота и период колебаний соотносятся как
Виды колебаний
Колебания, которые происходят в замкнутых системах называются свободными или собственными колебаниями. Колебания, которые происходят под действием внешних сил, называют вынужденными. Встречаются также автоколебания (вынуждаются автоматически).
Если рассматривать колебания согласно изменяющихся характеристик (амплитуда, частота, период и др.), то их можно разделить на гармонические, затухающие, нарастающие (а также пилообразные, прямоугольные, сложные).
При свободных колебаниях в реальных системах всегда происходят потери энергии. Механическая энергия расходуется, например, на совершение работы по преодолению сил сопротивления воздуха. Под влиянием силы трения происходит уменьшение амплитуды колебаний, и через некоторое время колебания прекращаются. Очевидно, что чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания.
Вынужденные колебания. Резонанс
Вынужденные колебания являются незатухающими. Поэтому необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний. Для этого необходимо воздействовать на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы.
Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом.
Например, если периодически дергать шнур в такт его собственным колебаниям, то мы заметим увеличение амплитуды его колебаний.
Примеры резонанса
Если влажный палец двигать по краю бокала, то бокал будет издавать звенящие звуки. Хотя это и незаметно, палец движется прерывисто и передает стеклу энергию короткими порциями, заставляя бокал вибрировать
Стенки бокала также начинают вибрировать, если на него направить звуковую волну с частотой, равной его собственной. Если амплитуда станет очень большой, то бокал может даже разбиться. По причине резонанса при пении Ф.И.Шаляпина дрожали (резонировали) хрустальные подвески люстр. Возникновение резонанса можно проследить и в ванной комнате. Если вы будете негромко пропевать звуки разной частоты, то на одной из частот возникнет резонанс.
Явление резонанса используется, когда с помощью небольшой силы необходимо получить большое увеличение амплитуды колебаний. Например, тяжелый язык большого колокола можно раскачать, действуя сравнительно небольшой силой с частотой, равной собственной частоте колебаний колокола.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Совпадение частоты собственных колебаний с частотой изменения электродинамической силы называется механическим резонансом. [1]
Совпадение частот собственных колебаний р с частотой вращения вала должно вызывать явление резонанса. Последнее проявляется в виде потери устойчивой формы вращения вала и сопровождается значительным прогибом. Частота, при которой наступает неустойчивое вращение, называется критической. Величина последней равна частоте свободных колебаний вала. [2]
Совпадение частоты собственных колебаний с частотой изменения электродинамической силы называется механическим резонансом. [3]
Совпадение частоты собственных колебаний с частотой изменения силы электродинамического воздействия называется механическим резонансом. [4]
Такое совпадение частоты собственных колебаний и частоты возмущающей силы, а также явления, его сопровождающие, называют резонансом. [5]
При совпадении частоты собственных колебаний лопатки с частотой вынужденных колебаний ( возмущающих сил) наступает резонанс. При этом амплитуды колебания лопатки увеличиваются, и может произойти усталостное ее разрушение. Зоны резонансных колебаний лопаток могут быть довольно точно установлены. Зная частоту собственных колебаний лопатки, можно построить частотную диаграмму и определить числа оборотов ротора, при которых наступают резонансные колебания лопатки. [6]
Если вибрации являются следствием совпадения частот собственных колебаний фундамента и машины, то единственно радикальным способом устранения вибрации является увеличение веса фундамента. [7]
Явление повышения амплитуды при совпадении частот собственных колебаний и вынуждающей силы носит название резонанса, а само совпадение частот называется условием резонанса. [8]
Явление повышения амплитуды при совпадении частот собственных колебаний и возмущающей силы носит название резонанса, а само совпадение частот называется условием резонанса. [9]
Явление повышения амплитуды при совпадении частот собственных колебаний и возмущающей силы носит название резонанса, а само совпадение частот называется условием резонанса. [10]
Явление повышения амплитуды при совпадении частот собственных колебаний и вынуждающей силы носит название резонанса, а само совпадение частот называется условием резонанса. [11]
Сущность авторезонанса заключается в совпадении частот собственных колебаний отдельных взаимодействующих колебательных систем. [12]
Явление повышения амплитуды при совпадении частот собственных колебаний и вынуждающей силы носит название резонанса, а само совпадение частот называется условием резонанса. [13]
Это явление ( при совпадении частоты собственных колебаний системы с частотой внешней силы) называется резонансом. [14]
Во избежание резонанса следует избегать совпадения частот собственных колебаний как 1-го, так и высших порядков с частотой возмущающей силы. [15]
Свободные колебания
Свободные и вынужденные колебания Резонанс
Колебания, которые совершает тело, выведенное из положения равновесия внешней силой, а затем предоставленное действию внутренних упругих сил, называются свободными колебаниями.
Свободные колебания, происходящие в идеальной системе, в которой нет потерь на трение, называются собственными колебаниями. Частота (или период) собственных колебаний, называемая собственной частотой (или периодом) колебания, обусловлена только свойствами самой системы. Например, период колебания горизонтального пружинного маятника прямо пропорционален корню квадратному из отношения массы т маятника к коэффициенту k упругости пружины:
Затухание колебаний обусловливается потерей энергии на преодоление сил сопротивления, которое встречает колеблющееся тело в реальных условиях. В основном это различные виды трения (трение между частями самой колеблющейся системы, трение о воздух и т. п.). Чем больше эти потери энергии, тем быстрее затухают колебания.
затухания, зависящий от условий, в которых происходит колебание, и характеризующий скорость убывания амплитуд.
Тогда общий вид уравнения для затухающего колебания:
Имеются колебательные системы, в которых происходит пополнение энергии, расходуемой колеблющимся телом на преодоление сопротивления, в результате чего колебания имеют незатухающий характер. Например, в часах колебания маятника поддерживаются за счет энергии заведенной пружины, которая, развертываясь, с помощью специального механизма (анкерного спуска) подталкивает маятник при каждом его отклонении.
Такие системы называются автоколебательными, а происходящие в них колебания — автоколебаниями. Частота автоколебаний соответствует собственной частоте колеблющегося тела. Автоколебательная система содержит источник энергии, за счет которой поддерживаются колебания.
Энергия от источника передается колеблющемуся телу в определенные моменты времени с помощью устройства, которое управляется самим колеб лющимся телом, и называется устройством обратной связи. Автоколебательной системой является, например, часовой механизм, в нем маятник — колеблющееся тело, заведенная пружина — источник энергии, анкерный спуск — механизм обратной связи.
Что такое вынужденные колебания
Колебания, вызываемые и поддерживаемые действием внешней силы, периодически изменяющейся по величине и по направлению, называются вынужденными колебаниями. Вынужденные колебания — незатухающие, при установившихся колебаниях частота их соответствует частоте изменения внешней силы.
Вынужденные колебания также можно продемонстрировать с помощью пружинного маятника. Для этого рамка Е, в которой закреплены пружины, скрепляются с устройством, приводящим ее в колебательное движение; в данном случае это электродвигатель Д с кривошипным механизмом. При этом со стороны рамки (через пружины) на тело С будет действовать внешняя сила, периодически изменяющаяся по величине и по направлению, которая будет вызывать и поддерживать его колебания.
Если частота изменения внешней силы приближается к собственной частоте колебаний тела, то амплитуда его вынужденных колебаний увеличивается. Причина этого явления в том, что чем ближе эти частоты между собой, тем благоприятнее сочетается действие внешней силы с действием внутренних упругих сил и инерции тела. При полном совпадении этих частот амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Это явление называется резонансом.
Что такое резонанс
Резонанс это значительное увеличение амплитуды вынужденных колебаний, происходящее при совпадении частоты изменения внешней силы с собственной частотой колеблющегося тела.
Явление резонанса можно наблюдать на пружинном маятнике, если постепенно изменять скорость вращения электродвигателя Д и, следовательно, частоту изменения внешней силы, действующей на тело С. При этом амплитуда колебаний маятника сначала остается почти неизменной, затем постепенно, а при определенной частоте довольно резко возрастает до некоторого максимума и, наконец, сначала также резко, а затем постепенно снижается до исходных значений.
График изменения амплитуды колебаний маятника в зависимости от изменения частоты действующей силы называется кривой резонанса. Максимальная амплитуда колебаний имеет место при частоте, равной собственной частоте маятника. Форма кривой резонанса, ее острота в значительной степени зависят от затухания, свойственного свободным колебаниям данного тела: чем меньше затухание, тем острее резонанс и тем больше возрастает при этом амплитуда колебаний.
Для системы с большим затуханием частота, при которой наступает резонанс, несколько меньше собственной, хотя разница эта невелика.
Явление резонанса имеет место не только при механических колебаниях, но и при колебаниях любой природы, например звуковых, электрических и др. При этом в одних случаях резонанс является положительным явлением, так как позволяет действием незначительной возбуждающей силы вызвать колебания с относительно большой амплитудой. В этом отношении резонанс широко используется в технике приема и усиления звуковых или электрических колебаний.
В других случаях, наоборот, резонанс является вредным явлением, так как может вызвать увеличение амплитуды колебаний выше допустимых (или безопасных) пределов. С этим приходится считаться, например, в машиностроении. Резонанс предупреждают тем, что собственную частоту колеблющейся системы делают значительно отличающейся от частоты действующей силы.
Сложное колебание Гармонический спектр
Колебательное движение, при котором смещение изменяется во времени по любому другому закону, кроме закона синуса или косинуса, называется сложным колебанием. Сложное колебание может быть представлено как результат сложения простых колебаний, что значительно упрощает его анализ.
На основании этих примеров можно установить, что:
а) при сложении двух гармонических колебаний одинакового периода получается гармоническое колебание того же периода;
б) при сложении двух гармонических колебаний различного периода получается сложное колебание. Период этого колебания равняется большему из периодов складываемых колебаний.
Рассмотренный прием сложения простых, одинаково направленных колебаний разного периода, в результате которого было получено сложное колебание, дает основание утверждать о возможности и обратного приема, т е. разложения сложного колебания на простые гармонические.
В общем виде этот вопрос был решен математиком Фурье, который доказал, что любое сложное периодическое колебание может быть представлено суммой простых (гармонических) колебаний, периоды или частоты которых кратны периоду или частоте данного сложного колебания.
Совокупность простых колебаний, на которые можно разложить данное сложное колебание, называется его гармоническим спектром.
В гармоническом спектре колебан ия указываются частоты и амплитуда всех составляющих eго простых колебаний. Обычно спектр изображается в виде графика, на горизонтальной оси которого откладываются частоты; затем для каждой из частот, имеющихся в спектре простых колебаний, строится ордината, соответствующая амплитуде этого колебания.
Если гармонический спектр сложного колебания содержит только небольшое число простых колебаний и график его состоит из отдельных ординат, то такой спектр называется линейчатым. Если спектр содержит простые колебания практически всех частот, в каких-то пределах, то он называется сплошным и график его строится в виде кривой
Разложение сложного колебания на простые (гармонические) или другими словами нахождение его гармонического спектра является основным приемом при анализе сложного колебания. Часто это делается с помощью специальных приборов, называемых гармоническими анализаторами. Подобные приборы применяются также и в медицине при специальных исследованиях колебательных процессов, например колебаний биопотенциалов мозга и т. п.
Статья на тему Свободные колебания
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей