Резонанс

Продолжим рассматривать вынужденные колебания.

Вспомним, какие колебания называются вынужденными. 

Вынужденные колебания – это колебания, совершаемые телом под действием внешней периодически изменяющейся силы (вынуждающей силы).

Определим, как зависит амплитуда вынужденных колебаний от частоты изменения вынуждающей силы.

Проведем опыт.

Вращая ручку прибора, мы действуем на пружинный маятник вынуждающей силой, заставляя его периодически колебаться, «навязывая» свою частоту.

Будем изменять частоту вынуждающей силы, вращая рукоятку быстрее. И в тот момент, когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частотой колебания пружинного маятника наблюдаем увеличение амплитуды. Максимальная амплитуда достигается в момент совпадения частот вынуждающей силы и собственной частоты пружинного маятника.

Если вынуждающая сила будет действовать с частотой большей, чем собственные колебания маятника, то амплитуда колебания опять уменьшится.

Такое явление резкого увеличения амплитуды, вынужденных колебаний при равенстве частот вынуждающей силы и собственной частоты колебательной системы называется резонансом.

Зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силы так же можно изобразить графически.

Мы видим, что при изменении частоты вынуждающей силы максимальное значение амплитуды достигается в случае совпадения частоты вынужденной силы с собственной частотой колебательной системы ню нулевое.

Аналогичное явление вы наблюдаете, когда хотите кого-то раскачать на качелях. Чуть подталкивая человека, вам удается, действуя даже малой силой, раскачивать его все сильнее и сильнее. Это удается сделать только в том случае, когда частота толчков совпадает с собственной частотой качелей.

Резонанс способен совершать колоссальные разрушения. В зоне разрушения больше всего страдают постройки, собственная частота колебаний которых совпадает с частотой подземных толчков.

Мосты также подвергаются серьезной опасности, во время сильных порывов ветра. В случае совпадения частот собственного колебания моста и частоты порывов ветра амплитуда колебания моста резко возрастает и становится критической для его конструкции.

Попробуйте ответить на вопрос: почему, когда армейские части шагают по мосту, им отдается команда идти не в ногу?

Когда солдаты идут в ногу, частота колебания одинаковая, поэтому создается значительное колебание, которое в случае совпадения с собственной частотой колебания моста, может его разрушить. Поэтому при движении по мосту военные идут не строевым нагом, а боевая техника движется с различными интервалами.

Конечно, зная об этом явлении, как в древности, так и сейчас, строители и архитекторы разрабатывают различные приспособления, с помощью которых можно нейтрализовать явление резонанса. Например, в Японии, часто разрушались, казалось бы, прочные здания, из железобетонных конструкций, а  па́годы, которые были сделаны из менее прочного материала – дерева, оставались целыми. Почему это происходило? Оказывается, внутри пагоды была подвешена длинная балка с грузом. Длина такой системы подбиралась так, чтобы она могла гасить колебания, двигаясь в противофазе. Аналогичные приспособления можно встретить и в небоскребах. В одном из них установлен противовес массой более 500 тонн, который нейтрализует действие ветровой нагрузки.

Заполните таблицу, в первой колонке расположите примеры, когда резонанс играет положительную роль, во второй отрицательную.

1.  Раскачивание вагона в случае совпадение частоты колес с частотой ударов о стыки рельсов.

2.  Создание колокольного звона.

3.  Раскачивание качелей.

4.  Раскачивание пароходов на волнах.

Проверьте себя. Резонанс играет положительную роль при колокольном звоне и раскачивании качелей. Резонанс играет отрицательную роль при раскачивание вагона в случае совпадение частоты колес с частотой ударов о стыки рельсов и раскачивание пароходов на волнах.