Содержание
Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.
Всякая мех-ая упругая система имеет собственную частоту колебаний. Если какая-либо сила выведет эту систему из равновесия, а затем перестанет действовать, то система будет некоторое время колебаться около своего положения равновесия. Частота этих колебаний и называется собственной частотой колебаний системы. Скорость её затухания зависит от упругих свойств и массы, от сил трения и не зависит от силы, вызвавшей колебания.
Если сила, выводящая мех систему из равновесия, будет меняться с частотой, равной частоте собственной частотой колебаний, то на деформацию одного периода будет накладываться деформация следующего периода и система будет раскачиваться со всё возрастающей амплитудой, теоретически до бесконечности. Естественно, что конструкция не сможет противостоять такой всё возрастающей деформации и будет разрушаться.
Совпадение частоты собственных колебаний с частотой изменения электродинамической силы называется механическим резонансом.
Полный резонанс наблюдается при точном совпадении частоты колебаний силы с частотой собственных колебаний конструкции и равных положительных и отрицательных амплитудах, частичный – при неполном совпадении частот и неравных амплитудах.
Для избежания мех резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний конструкции отличалась от частоты изменения электродинамической силы. Лучше, когда частота собственных колебаний лежит ниже частоты изменения силы. Подбор требуемой частоты собственных колебаний можно производить различными способами. Для шин, например, — изменением длины свободного пролёта
В случае, когда частота переменной составляющей ЭДУ близка к собственной частоте механических колебаний, даже при сравнительно небольших усилиях возможно разрушение аппарата вследствие явлений резонанса.
Шины под воздействием ЭДУ совершают вынужденные колебания в виде стоячих волн. Если частота свободных колебаний выше 200 Гц, то расчёт усилий производится для статического режима без учёта резонанса.
Если частота свободных колебаний шины при конструировании стремятся исключить возможность резонанса за счёт выбора длины свободного пролета шины.
При гибком креплении шины собственная частота механических колебаний снижается. Энергия ЭДУ частично тратится на деформацию токоведущих частей, частично на перемещение их и связанных с ним гибких креплений. При этом мех. Напряжения в материале шин уменьшаются
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Механический резонанс является тенденцией к механической системе реагировать на большую амплитуду , когда частота его колебаний соответствует собственной частоте системы по вибрации (его резонансной частоты или резонансной частоте ) , чем это делает на других частотах. Это может вызвать бурные движения покачиваясь и даже катастрофические неудачи в неправильно построенных сооружениях , включая мосты, здание и самолеты. Это явление , известное как резонансная катастрофа.
Как избежать резонансных катастроф является одной из основных проблем в каждом здании, башни и моста строительного проекта. Taipei 101 здание опирается на 660-тонный маятнике -a инерционного демпфера -в изменить отклик в резонансе. Кроме того, структура предназначена , чтобы резонировать на частоте , которая обычно не происходит. Здания в сейсмических зонах часто строятся с учетом колебательных частот ожидаемого движения грунта. Кроме того, инженеры проектирование объектов , имеющие двигатели должны обеспечить, чтобы механические резонансные частоты составных частей не совпадают вождение частоты колебаний двигателей или других сильно осциллирующих части.
Многие резонансные объекты имеют более чем одну резонансную частоту. Это будет легко вибрировать на этих частотах, и в меньшей степени, на других частотах. Многие часы сохранить время путем механического резонанса в балансе колесо , маятник или кристалл кварца .
содержание
Описание
Собственная частота простой механической системы, состоящей из веса приостановлено весной:
е знак равно 1 2 π К м < Displaystyle F = <1 над 2 пи>< SQRT <к над т>>>
Набор качели простой пример резонансной системы , с которой большинство людей имеют практический опыт. Это форма маятника. Если система возбуждается (толкнул) с периодом между выталкивает равным обратной частоте собственных колебаний маятника, качание будет качаться выше и выше, но если возбуждаться на другой частоте, будет трудно двигаться. Резонансная частота маятника, единственная частота , на которой он будет вибрировать, дана приблизительно, для малых смещений, по уравнению:
е знак равно 1 2 π г L < Displaystyle F = <1 над 2 пи>< SQRT <г над L>>>
где г есть ускорение силы тяжести (около 9,8 м / с 2 вблизи поверхности Земли ), и L представляет собой длина от точки поворота до центра масс. (An эллиптического интеграла дает описание для любого перемещения). Отметим , что в этом приближении частота не зависит от массы .
Механические резонаторы работают, передавая энергию многократно из кинетической в потенциальную форму и обратно. В маятнике, например, вся энергия хранятся в виде гравитационной энергии (в виде потенциальной энергии) , когда боб мгновенно неподвижно в верхней части ее качания. Эта энергия пропорциональна как масс боба и его высоту над самой нижней точкой. По мере того как Боб спускается и набирает скорость, его потенциальная энергия постепенно преобразуется в кинетическую энергию (энергия движения), которая пропорциональна массе боба и квадрату его скорости. Когда боб находится в нижней части своего путешествия, он имеет максимальную кинетическую энергию и минимальную потенциальную энергию. Тот же самый процесс , то происходит в обратном направлении , как боб поднимается по направлению к верхней части ее качания.
Некоторые резонансные объекты имеют более чем одну резонансную частоту, особенно при гармоник (кратных) самого сильного резонанса. Это будет легко вибрировать на этих частотах, и в меньшей степени, на других частотах. Это будет «выбрать» свою резонансную частоту от сложного возбуждения, например , в качестве импульса или широкополосного шума возбуждения. В действительности, оно отфильтровывать все , кроме его резонансных частот. В приведенном выше примере, свинг не может быть легко возбуждаются гармоническими частотами, но может быть возбуждена субгармоника .
Примеры
Различные примеры механического резонанса, включают:
Резонанс может вызвать бурные движения покачиваясь в неправильно построенных структурах, такие как мосты и здание. London Millennium Пешеходный (прозванный ИРМ Bridge ) показал эту проблему. Дефектный мост может даже быть разрушен его резонанса (см Broughton Висячий мост и Анже мост ). Механические системы хранения потенциальной энергии в различных формах. Например, пружина / масса система хранит энергию в виде напряженности в весенний период , который , в конечном счете хранится как энергия связи между атомами .
Резонанс катастрофы
В механике и конструкциях резонансное бедствие описывает разрушение здания или технического механизма по наведенным вибрациям при системной резонансной частоте, которая заставляет его колебаться . Периодическая возбуждения оптимально передает к системе на энергию вибрации и сохраняет его там. Из — за этого повторного хранения и дополнительного ввода энергии система раскачивается все сильнее, пока его предельная нагрузка не будет превышена.
Мост через пролив Такома
Драматическое, ритмичное скручивание , что привело к краху 1940 «Галопирующей Герти», оригинального Такома мост , иногда характеризуется в учебниках физики как классический пример резонанса. Катастрофические колебания , которые разрушили мост были из — за колебания , вызванного взаимодействием между мостом и ветрами , проходящими через его структуру-явление , известное как аэроупругий флаттер . Роберт Х. Скэнлон , отец области аэродинамики моста, написал статью об этом.
Другие примеры
- Распад Broughton Подвеска моста (из — за солдат , идущих в ногу)
- Распад Анже моста
- Распад Königs Wusterhausen Центральной башни
- Резонанс моста Миллениум
Приложения
Различный Способ индукции механического резонанса в среде существует. Механические волны могут быть получены в среде, подвергая электромеханический элемент с переменным электрическим полем, имеющим частоту, которая вызывает механический резонанс и находится ниже любого электрического резонансной частоты. Такие устройства могут применять механическую энергию от внешнего источника к элементу, чтобы механически подчеркнуть элемент или применить механическую энергию, произведенную элементом на внешнюю нагрузку.
Патентное ведомство Соединенных Штатов классифицирует устройства , что испытания механического резонанса под подкласса 579, резонанс , частота , или амплитуды исследования, класса 73, Измерение и тестирование . Этот подкласс сам отступ под подклассом 570, вибрация. Такие устройства тестирование статьи или механизма , подвергая его вибрационную силу для определения качества, характеристик, или условия их, или зондирований, изучения или делать анализ колебаний , генерируемые в противном случае или существующий в статье или механизме. Устройства включают в себя правильные методы , чтобы вызвать вибрацию при естественном механического резонанса и измерения частоты и / или амплитуды резонанса сделаны. Различные устройства изучают ответ амплитуды над диапазоном частот производятся. Это включает в себя узловые точки , длины волн и стоячей волны характеристики , измеренные при заданных условиях вибрации.
Содержание:
Почему солдатам, обычно марширующим строевым шагом при пересечении моста дается команда идти «вольно»? Потому, что маршируя по мосту, они могут его обрушить. Происходит это вследствие интересного физического явления – резонанса. Впрочем, явление резонанса активно употребляется не только в физике. К примеру, термин «общественный резонанс» означает реакцию большого количества людей на какое-то событие, будь-то политическое, экономическое, социальное. Но в нашей статье мы поговорим именно о физическом резонансе, его значении в физике, причинах и наиболее ярких примерах из жизни.
Определение резонанса
Первым, кто дал определение того, что такое резонанс был великий итальянский ученый Галилео Галлией, активно занимающийся не только астрономическими наблюдениями, но и работой с маятником, теорией струн и многими другими вещами в физике.
Итак, в переводе с латыни слово «резонанс» буквально означает «откликаюсь», и означает физическое явление, при котором собственные колебательные движения, становясь вынужденными, многократно увеличивают свою амплитуду, отвечая на воздействия внешней среды.
Или если по-простому, то резонанс это отклик на некий раздражитель извне, это синхронизация частот колебаний (количества колебаний в секунду) определенного тела (или целой системы) с внешней силой, которая воздействует на него. Вследствие физического резонанса всегда происходит увеличение амплитуды колебаний тела или системы.
Представьте себе детские качели, чтобы раскатать их сильнее, вам необходимо прикладывать силу таким образом, чтобы ее колебания совпадали с колебаниями самой качели. Как результат таких действий качели будут раскачиваться все сильнее и сильнее, или говоря по-научному – амплитуда их колебаний будет увеличиваться. Детские качели, пожалуй, самый простой и яркий пример резонанса из нашей жизни.
Впрочем, есть у резонанса и свой антипод – диссонанс. Диссонанс (с латыни переводится как «разногласящий») – прямо противоположное явление, означающее несовпадение, несоответствие. Если к тем же раскаченным качелям начать прикладывать силу хаотически, то есть хаотически их дергать туда-сюда, то вскоре они остановятся, амплитуда их движения снизится до нуля. Или еще один наглядный пример: если вы жарким летним днем выйдете на улицу в шубе, это тоже будет диссонанс, так как ваша одежда будет совершенно не соответствовать погоде.
Резонанс и добротность
Резонанс в физике часто связан с добротностью. Что это такое? Под добротностью понимается степень отзывчивости колебательной системы, уровень интенсивности ее отклика. На все том же примере с качелями можно представить, что есть две качели, одни из них старые и ржавые, а вторые новые, недавно построенные. Чтобы раскачать старые и ржавые качели нужно приложить намного больше усилий, нежели новые, то есть добротность у старых качелей (яко колебательной системы) будет в разы ниже, чем у качелей новых.
Логично, что разные показатели добротности приводят к разным последствиям:
- При низкой степени добротности колебательная система не будет сохранять долгое время вынужденные колебания, и очень скоро возвратится к естественным колебаниям.
- В определенных ситуациях высокая добротность может быть опасной, так как сильный резонанс и многократное увеличение амплитуды колебаний приведет к разрушению физического тела.
Виды и примеры резонанса
Только в самой физике различают такие виды резонанса как:
- Механический резонанс – это все те же вышеупомянутые качели, резонанс моста от проходящей роты солдат, резонанс колокольного звона и т. д. Одним словом, резонанс, вызванный механическими воздействиями.
- Акустический резонанс – это резонанс, благодаря которому работают все струнные музыкальные инструменты: гитара, скрипка, лютня, балалайка, банджо и т. д. К слову корпус музыкальных инструментов неспроста имеет свою форму. Звук, издаваемый струной при щипке, попадает внутрь корпуса и там вступает в резонанс со стенками, что в результате приводит к его усилению. По этой причине качество звучания той же гитары сильно зависит от того материала, из которого она сделана и даже от лака которым она покрыта.
- Электрический резонанс – представляет собой совпадение частоты колебаний внешнего напряжения с частотой колебаний электрической цепи, по которой идет ток.
Помимо этих чисто физических резонансов есть еще уже упомянутый нами общественный резонанс – яркий отклик общества на какое-то событие (обычно политическое или экономическое), например брекзит Британии, ее выход из Европейского союза вызвал широкий общественный резонанс во многих странах Европы и особенно, разумеется, в самой Британии.
Есть также и когнитивный резонанс – это полное совпадение во взглядах и мнениях. Например, вы познакомились с новым человеком, а он думает так же как вы, у вас абсолютно схожие взгляды, вкусы, предпочтения, тогда имеет место когнитивный резонанс. И противоположное явление – когнитивный диссонанс, когда вы абсолютно не согласны с кем-то или чем-то, абсолютно не принимаете происходящего. (Например, автор этой статьи, оказавшись в каком-нибудь украинском бюрократическом учреждении, будь-то Жеке, БТИ или налоговой испытывает настоящий когнитивный диссонанс)).
Опасность и польза резонанса
Резонанс, как и любое другое физическое явление, сам по себе не является ни плохим, ни хорошим, так как может приносить как пользу, так и вред. Например, именно резонанс помогает вытащить автомобиль, застрявший в грязи или снегу – планомерное раскачивание авто, то взад, то вперед с увеличением амплитуды колебаний помогает освободить его из плена.
А вот хрестоматийный негативный пример действия резонанса описан в самом начале нашей статьи, и связан с мостами. Если рота солдат строевым шагом пройдет по мосту, то может если и не обрушить его, то значительно повредить, потому, что вызовет сильный резонанс собственных колебаний поверхности моста с колебаниями от марша «нога в ногу» сотен солдат.
Впрочем, сильный резонанс моста может случиться и не только от марширующей роты солдат, конструкторам и архитекторам давно известно такое понятие как «Такомский мост» – это мост построенный с сильными нарушениями строительных норм. Дело в том, что в 40-х годах еще XIX века в США произошло обрушение висячего моста. Причиной обрушения был резонанс. Но рота солдат по мосту не маршировала, виновником на этот раз был ветер – колебания ветра вступили в резонанс с собственными колебаниями конструкции моста и в результате вызвали его обрушение.
С тех пор технологии строительства мостов претерпели значительные изменения, а инженеры, конструкторы и архитекторы при проектировании своих объектов обязательно принимают в расчет явление резонанса. Этот феномен необходимо учитывать не только при строительстве мостов, но и при возведении высотных зданий, антенн, высоких опор, словом всего того, что теоретически может войти в резонанс с воздушными потоками.
Резонанс, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
