Явление резонанса и его возникновение. Примеры резонанса в механике, акустике, электрических цепях и атомах молекул

0
Посетите магазины партнеров:
KupiVIP Banggood INT

Под понятием резонанса стоит соображать мгновенный рост величины амплитуды колебаний объекта под воздействием внешнего источника энергии периодического нрава воздействия с аналогичным значением частоты.

В статье мы рассмотрим природу возникновения резонанса на примере механического (математического) маятника, электрического колебательного очертания и ядерного магнитного резонатора. Для того, чтобы проще представить физические процессы, статья сопровождается бесчисленными вставками в виде практических примеров. Цель статьи — объяснить на примитивном уровне эффект резонанса в различных областях его возникновения без математических формул.

Явление резонанса и его возникновение

Механические колебания маятника

Самая простая модель, какая может наглядно показать колебания, это простейший маятник, а точнее математический маятник. Колебания разделяют на независимые и вынужденные. Первоначально воздействующая энергия на маятник обеспечивает в теле свободные колебания без присутствия внешнего ключа переменной энергии воздействия. Данная энергия может быть как кинетической, так и потенциальной.

Здесь не имеет смысл насколько сильно или нет качается сам маятник, — время, потраченное на прохождения его пути в прямом и возвратном направлении, сохраняется неизменным. Во избежание недоразумений с затуханием колебаний вследствие трения о воздух стоит выделить, что для независимых колебаний должны соблюдаться условия возврата маятника в точку равновесия и отсутствия трения.

А вот частота в свою очередность напрямую зависит от величины длины нити маятника. Чем короче нить, тем выше частота и навыворот.

Возникающая естественная частота тела под воздействием первоначально приложенной силы называется резонансной частотой.

Механические колебания маятника

Все тела, каким свойственны колебания, совершают их с заданной частотой. Для поддержания в теле незатухающих колебаний необходимо гарантировать постоянную периодическую энергетическую «подпитку». Это достигается воздействием в одновременный такт колебаний тела непрерывной силы с определенным периодом. Таким образом возникающие колебания в теле под действием периодической мочи снаружи называют вынужденными.

В какой-то момент внешних воздействий возникает резкий скачок амплитуды. Подобный эффект возникает если периоды внутренних колебаний тела совпадают с периодами внешней мочи и называется резонансом. Для возникновения резонанса достаточно совсем небольших величин внешних источников воздействия, но с непременным условием повторения в такт. Естественно, при фактических расчетах в земных условиях не стоит забывать о поступке сил трения и сопротивления воздуха на поверхность тело.

Простые примеры резонанса из жизни

Начнем с образца возникновения резонанса с которым сталкивался каждый из нас — это обычные качели на детской площадке.

Резонанс качелей

В ситуации с ребяческими качелями в момент приложения рукой силы при прохождения одной из двух симметричных высших точек возникает скачек амплитуды с соответственным ростом энергии колебания. В быту эффект резонанса могли наблюдать в ванной комнате охотники вокала.

Звуковой акустический резонанс при пении в ванной

Каждый из поющих в ванной комнате из изразца наверняка замечал как изменяется звук. Звуковые волны отражаясь о кафель в замкнутом пространстве ванной становятся оглушительнее и продолжительнее. Но этому воздействию подвержены не все ноты песни вокалиста, а лишь те, которые резонируют в одинешенек такт со звуковой резонансной частотой воздуха.

Для каждого из вышеперечисленного случая возникновения резонанса есть внешняя возбуждающая энергия: в случае с качелями элементарный толчок рукой, совпадающий с фазой колебания качели, и в случае с акустическим эффектом в ванной — голос человека, отдельные частоты какого совпадали с определенными частотами воздуха.

Звуковой резонанс бокала — опыт в домашних условиях

Этот опыт можно провести в домашних условиях. Для него необходим хрустальный бокал и закрытое помещение без инородных шумов для чуткого восприятия аккустического эффекта. Смоченный водой палец передвигаем по краю фужера с «рваными» периодическими ускорениями. В процессе подобных движений вы можете наблюдать возникновение звенящего звука. Этот эффект возникает вследствие передачи энергии движения, частота колебание которой совпадает с собственными частотой колебания фужера.

[embedded content]

На видео автор ролика передвигает смоченный палец с равномерной скоростью по окружноси фужера, наполовину наполненного водой. Возникает эффект «поющего бокала».

Разрушение мостов вследствие резонанса — случай с Такомским мостом

Все служившие в армии помнят, как при прохождении построением по мосту от командира звучала команда: «Отставить в ногу!». Почему же нельзя было протекать строем по мосту «в ногу»? Оказывается, при прохождении строем по мосту с одновременным поднятием выпрямленной ноги до степени колена военнослужащие опускают плоскость подошвы в один такт с усилием, которое сопровождается специфическим шлепком.

Шаг военнослужащих сливается в один единый такт, создавая скачкообразную внешнюю прикладываемую энергию для моста с определенной размером колебаний. В случае если собственная частота колебаний моста совпадет с колебанием шага боец «в ногу» — произойдет резонанс, энергия которого может привести к разрушительным воздействиям конструкции моста.

Желая случаи полного разрушения моста и не зафиксированы при прохождении солдат «в ногу», но известнее случай разрушения Такомского моста сквозь пролив Такома-Нэрроуз в штате Вашингтон США в 1940 году.

[embedded content]

Одна из причин вероятных вин разрушения — механический резонанс, который возник вследствие совпадения частоты ветрового потока с внутренней собственной частотой моста.

Резонанс тока в электрических цепях

Если в механике эффект резонанса можно разъяснить сравнительно просто, то в электричестве все на пальцах не объяснить. Для понимания необходимы элементарные знания физики электричества. Резонанс, основываемый в электрической цепи, может возникать при условии наличия колебательного контура. Какие элементы необходимы для создания колебательного очертания в электрической сети? Прежде всего цепь должна быть подключена к источнику электрической энергии.

В электросети простейший колебательный очертание состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Конденсатор, состоящий внутри из двух металлических пластин разделенных диэлектрическими изоляторами, способен хранить электрическую энергию. Аналогичным свойством обладает и катушка индуктивности, выполненная в облике спиралеобразных витков проводника электричества.

Взаимное соединение конденсатора и катушки индуктивности в электрической сети, образующей колебательный очертание, может быть как параллельным так и последовательным. В следующем видеопособии для демонстрации резонанса приводят пример последовательного способа включения.

[embedded content]

Колебания электрического тока внутри очертания возникает под действием внешнего источника электроэнергии. Однако, не все поступающие сигналы, а точнее его частоты, служат ключом возникновения резонанса, а лишь только те, частота которых совпадает с резонансной частотой контура. Прочие, не участвующие в процессе, подавляются в общем потоке сигнала. Регулировать резонансную частоту возможно при поддержки изменения значений емкости конденсатора и индуктивности катушки.

Возвращаясь к физике резонанса в механических колебаниях, он особенно сформулирован при минимальных значениях сил трения. Показатель трения сопоставляется в электрической цепи сопротивлению, увеличение какого ведет к нагреву проводника встледствие превращения электрической энергии во втрутреннюю энергию проводника. Потому, как и в случае с механикой, в колебательном электрическом контуре резонанс четко выражен при низком активном сопротивлении.

Образец электрического резонанса в процессе настройки ТВ и радиоприемников

В отличие от резонанса в механике, который может негативно воздействовать на материалы конструкций вплоть до разрушения, в электрических целях его вовсю используют в полезном функциональном направленье. Один из примеров применения — настройка ТВ и радиопрограмм в приемниках.

Радиоволны соответствующей частоты достигают приемных антенн и возбуждают небольшие электрические колебания. Далее сигнал, включающий весь пул транслируемых передач, поступает в усилитель. Настроенный на определенную частоту в соответствии со смыслом регулируемой емкости конденсатора, колебательный контур принимает только тот сигнал, частота которого сходится с его собственной.

В радиоприемнике установлен колебательный контур. Для настройки на станцию вращают рукоятку конденсатора переменной емкости, меняя поза его пластин и соответственно меняя резонансную частоту контура.

Ручка настройка радио как пример колебательного контура

Вспомните аналоговый радиоприемник «Океан» преходящ СССР, ручка настройки каналов в котором есть ни что иное как регулятор изменения емкости конденсатора, поза которого меняет резонансную частоту контура.

Ядерный магнитный резонанс

Отдельные виды атомов кормят ядра, которые можно сравнить с миниатюрными магнитами. Под влиянием мощного внешнего магнитного поля основы атомов меняют свою ориентацию в соответствии со взаимным расположением своего собственного магнитного поля по касательству к внешнему. Внешний сильный электромагнитный импульс поглощается атомом вследствие чего выходит его переориентация. Как только источник импульса прекращает свое действие ядра возвращаются на свои отправные позиции.

Ядра в зависимости от принадлежности к тому или иному атому способны принимать энергию в определенном диапазоне частот. Смена позиции основы происходит в один такт с внешним колебаниям электромагнитного поля, что и служит причиной возникновения так именуемого ядерного магнитного резонанса (сокращенно ЯМР). В научном мире этот вид резонанса используется в целях изучения атомных связей в рамках сложных молекул. Используемый в медицине метод отображения магнитного резонанса (ОМР) позволяет выводить итоги сканирования внутренних человеческих органов на дисплей для постановки диагноза и назначения лечения.

Отображения магнитного резонанса в медицине

Магнитное поле ОМР сканера, формируемое при поддержки катушек индуктивности, создает излучение высокой частоты под воздействием которого ядра атомов водорода меняют свою ориентацию при условии совпадении своих собственных частот с внешним. В результате полученных этих с датчиков формируется графическая картинка на мониторе.

Если сравнивать метод ЯМР и ОМР относительно негативного воздействия на организм человека излучения, то сканирование с помощью ядерного магнитного резонатора менее вредно, чем ОМР. Также при изысканье мягких тканей технология ЯМР показала большую эффективность в отражении детализации исследуемого участка материалы.

Что такое спектрография

Взаимная связь между атомами в молекуле не строго жесткая, при изменении какой молекула переходит в состояние колебания. Частота колебаний взаимных связей атомов меняет соответственно резонансную частоту молекул. С поддержкой излучения электромагнитных волн в ИК спектре можно вызвать вышеуказанные колебания атомных связей. Этот метод под названием инфракрасная спектрография используется в научных лабораториях для изучения состава исследуемого материала.

Посетите магазины партнеров:

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.