Резонанс - малюнок

Резонанс — визначення, умови і застосування



Визначення фізичного явища під назвою резонанс вивчається в старших класах шкільного курсу фізики під час вивчення коливань. Однак суть і практичне застосування явища, пов’язаного з різким збільшенням амплітуди коливань при збігу частот (власної і зовнішнього впливу), для багатьох залишається загадкою.

І щоб розібратися в цьому, потрібно чітко усвідомити поняття процесу коливань, а також мати уявлення про фізичні величини, що їх характеризують.

Відкриття явища резонансу

Коливання: частота і амплітуда

Поява резонансу нерозривно пов’язане з коливаннями, тобто з процесом змін стану якої-небудь системи, який повторюється в часі і відбувається близько певної точки рівноваги, періодично відхиляючись то в сторону зі знаком «мінус», то в протилежну — зі знаком «плюс».

При цьому не важлива природа самої коливальної системи і місце її знаходження, а важливо лише наявність вихідної точки стану, до якої вона повертається через строго певний проміжок часу.

Це можуть бути:

  • механічні коливання;
  • періодичні зміни значення сили електричного струму в ланцюзі;
  • звук і так далі.

Основними характеристиками коливальної системи є амплітуда (максимальне відхилення від положення рівноваги) і частота (кількість повторень рухів системи за одиницю часу). І ці величини відіграють головну роль як в описі самого явища, так і в умові резонансу.

Суть явища резонансу

Вперше застосування резонансу у вигляді прикладу зустрічається в роботах італійського вченого і техніка Торрічеллі, що жив в середні століття. А точне визначення цьому явищу, пов’язаному з вимушеними коливаннями, першим дав Галілео Галілей в трактаті “Про маятники і музичні струни”.

Пояснення ж природи електромагнітного резонансу належить основоположнику сучасної електродинаміки Генрі Максвеллу.

Механічний аспект

Як найпростіший приклад для опису механічного резонансу можна привести розгойдування дитячих гойдалок. Амплітудою в цьому випадку буде найбільша висота підйому гойдалки над рівнем горизонту, а частотою — кількість проходжень найнижчої точки за 1 секунду.

Запущені гойдалки, являючи собою коливальну систему, мають власну частоту і початкову амплітуду, збільшити яку можна досить легко, якщо штовхати гойдалку з частотою, що збігається з їх власною.

Зусилля, що прикладаються в цьому випадку, не мають вирішального значення. На збільшення висоти підйому буде впливати, більшою мірою, збіг частот коливань гойдалок і періодичності зовнішнього впливу.

Якщо поштовхи виробляти не періодично або з частотою, що сильно відрізняється від періодичності рухів самої системи, то результат буде абсолютно протилежним. Гойдалки не збільшать амплітуду розгойдувань, а навпаки, коливання системи будуть загасати, що в результаті призведе до повної зупинки в положенні рівноваги.

Резонанс - визначення

Основою роботи будь-якого механічного резонатора є взаємне перетворення двох видів енергій:

  • потенційної;
  • кінетичної.

У випадку з гойдалками, які за властивостями являють собою простий маятник, потенційна енергія, згідно з кривою графіка залежності, досягає максимуму в самій верхній точці, а в міру опускання вниз — до положення рівноваги — поступово переходить в кінетичну, набираючи найбільше значення при проходженні самої нижньої точки.

Залежить же потенційна енергія, згідно з формулою, від висоти підйому і маси, а кінетична — прямо пропорційна квадрату швидкості і тій же масі.

Електронні пристрої

Електромагнітний резонанс використовується в різних електронних пристроях, де є ланцюги з так званим коливальним контуром, що складається з котушки індуктивності і конденсатора. Виникає він при певній частоті, дозволяючи енергії магнітного поля індуктивного елемента перетворюватися в енергію електричного поля конденсатора і назад.

Механізм такого явища полягає в тому, що змінне магнітне поле котушки індуктивності створює електричний струм для зарядки конденсатора, а при зворотному процесі, коли конденсатор розряджається, струм генерує магнітне поле в котушці. Такий процес може повторюватися необмежену кількість разів, подібно механічному маятнику.

Резонансні явища в електричних коливальних контурах, як правило, використовуються в настроювальних елементах або в електричних фільтрах.

Оптика і акустика

Найвідомішим прикладом використання резонансу в оптичному діапазоні вважається резонатор Фабрі-Перо. Цей прилад, основу якого становить пара дзеркал, розташованих один проти одного, дозволяє створювати за допомогою резонансу стоячу світлову хвилю.

При роботі з акустичними приладами для збільшення гучності також не обходяться без резонансу. Практично всі музичні інструменти у своїх конструкціях містять резонатори. Це і:

  • трубка у флейти;
  • корпус у скрипки, гітари або барабана.

По суті, резонанс у фізиці являє собою відклик системи, що коливається, на зовнішній вплив, який проявляється в збільшенні максимального відхилення від положення рівноваги.

Такий відклик ще прийнято називати частотно-виборчим, оскільки саме явище виникає лише при збігу частот — впливу зовнішньої сили і власних коливань системи.

Застосування резонансу в музичних інструментах

Характерні приклади резонансу

Хрестоматійним і дуже яскравим прикладом резонансу вважається випадок руйнування структури моста при проходженні по ньому роти солдатів стройовим кроком. Причиною такого ефекту став збіг частоти кроку групи людей і власної частоти коливань споруди, що призвело до різкого збільшення амплітуди коливань моста.

З руйнуванням мостових конструкцій пов’язаний і термін “такомський міст”. Але в цьому випадку причиною аварії стала не рота солдатів, а пориви вітру. При розрахунках проєктантами не була врахована можливість резонансу, в який увійшло полотно моста з поривами вітру певної швидкості. Після події фахівці провели численні дослідження і розрахунки, які згодом стали фундаментом сучасного мостобудування.

Ще один приклад прояву резонансу, з яким вже стикаються в побуті — це принцип роботи мікрохвильовки.

В результаті генерації СВЧ-випромінювання з частотою 2.45 ГГц в молекулах води, що потрапляють в зону впливу, спостерігається різке збільшення амплітуди коливань, що призводить до збільшення температури.

Таким чином, завдяки збігу частоти зовнішнього впливу і власної у молекул води, відбувається розігрів продуктів всередині мікрохвильової печі.

Резонанс у тілі людини

Резонанс у полеміці і риториці

Поняття резонанс зустрічається також і в суспільних науках. І це слово позначає відгук суспільства на певні події, публічні висловлювання або дії політиків, а також реакцію людей на події глобальних масштабів.

Філософський словник трактує це поняття як однодумність двох особистостей, тобто наявність однакової реакції на ту чи іншу подію. Це може бути як синхронна антипатія, так і симпатія, жалісливе переживання або обурення якимось вчинком.

У словнику іноземних слів можна знайти пояснення резонансу як відгомону, відгуку або враженню. У цьому сенсі слово вживається для оцінки творів культури:

  • спектакль;
  • фільм;
  • концерт;
  • книга.

Для показу емоційного підйому, одностайного пориву слово “резонанс” часто використовується багатьма ораторами для підкреслення значущості того, що відбувається. У цьому значенні поняття набуває сенсу сильного відгуку і однакової оцінки.

З явищем резонансу люди стикаються кожен день, навіть не замислюючись про це. Але якщо в суперечці або при вимові промови з трибуни це слово можна використовувати для посилення враження від сказаного, то з поняттям резонансу як фізичного явища не все так просто і нешкідливо.

Резонанс може принести як користь, так і шкоду. І про його можливе виникнення потрібно все-таки не забувати, коли захочеться погойдатися на підвісному пішохідному містку або ж поставити в мікрохвильовку посуд з металу (правилами використання це робити суворо забороняється
).

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *