Колебания и частота
Но сначала нам нужно сделать небольшой шаг назад: прежде чем обсуждать понятие резонанса, вспомним, что такое колебания.
Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
Движение качелей, приливы и отливы, качание маятника — все это примеры колебательного движения.
Виды колебаний
Колебания классифицируют по-разному. Если говорить об их природе, то можно выделить механические и электромагнитные колебания. В обоих случаях происходит периодическое изменение физической величины, только при механических колебаниях это изменение ускорения, скорости и координаты тела, а при электромагнитных — напряжения,силы тока и заряда.
По способу поступления энергии колебания делятся на свободные, вынужденные и автоколебания.
-
Свободные колебания — колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из положения равновесия. Например: колебание струны гитары, движение шарика на нити, изменение положения качелей или ветки дерева, с которой спрыгнул кот.
-
Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил. К ним можно отнести качание ветки из-за ветра, работу иглы швейной машинки и всех электрических приборов, движение поршня в ДВС.
-
Автоколебания — незатухающие колебания, которые существуют за счет поступления энергии в систему под ее же управлением. Это и сокращение сердца, и транзисторы, и колебания маятника в часах. Подумайте и ответьте самостоятельно, почему эти примеры нам подходят?
По виду амплитуды колебания делятся на:
-
гармонические (физическая величина изменяется с течением времени по гармоническому закону — закону синуса или косинуса);
-
затухающие (колебания, энергия которых уменьшается с течением времени);
-
незатухающие (колебания, энергия которых с течением времени не изменяется).
Характеристики колебаний
Помимо классификации, колебания характеризуются определенными физическими терминами, которые позволяют описать колебания количественно.
Амплитуда колебаний — максимальное значение смещения или изменения переменной величины.
Если мы рассмотрим волновое движение как пример колебания, то гребни волны (максимальное и минимальное значение функции) будут показывать её амплитуду.
Если мы говорим о движении маятника, то амплитуда — это максимальное расстояние, на которое смещается тело от точки равновесия.
Так как колебания — это повторяющиеся движения, можно говорить о частоте и периоде колебаний.
Период колебаний — это время, за которое происходит одно колебание. В физике обозначается буквой
Частота колебаний — величина, обратная периоду. Она показывает, какое количество колебаний происходит в единицу времени, и измеряется в герцах.
Суть явления резонанса
Теперь мы готовы пойти дальше и выяснить, что такое резонанс в физике.
Резонанс (от лат. resono — откликаюсь) — это достижение максимальной амплитуды колебаний системой.
Как это может произойти? Рассмотрим еще одно определение:
Резонанс в физике — это отклик колебательной системы на периодическое воздействие внешней силы, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний этой системы.
Приведем пример резонанса.
Представьте, что ваш маленький братишка или сестренка качается на качелях. Чтобы раскачать их еще сильнее, вы стоите рядом и прикладываете силу, еще больше отталкивая качели из состояния равновесия. Чтобы амплитуда действительно увеличилась, вам необходимо стоять в правильном месте и толкать в верный промежуток времени, иначе ничего не получится.
У вас нет маленьких родственников? Тогда садитесь на качели сами! Даже если вы сильно раскачаетесь, без дополнительного воздействия качели быстро остановятся. А значит, вы должны помогать им раскачиваться, подталкивая их своим телом в правильном направлении, причем в нужную секунду. Таким образом частота ваших движений должна полностью совпадать с частотой колебаний качелей, и тогда можно бесстрашно взмыть под самые небеса!
Резонансная частота — частота вынуждающей силы, равная собственной частоте колебательной системы, при которой достигается максимальная амплитуда.
Резонанс возникает в любых упругих средах: твердых, жидких и газообразных, главное — это наличие резонансной частоты.
На графике представлена зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силы. Как мы видим, существует такая частота, при которой достигается максимальное отклонение от точки равновесия. График функции стремительно возрастает, достигает наивысшей точки, а затем также стремительно убывает, а значит, постоянное увеличение частоты не даст лучшее отклонение — здесь важно вовремя остановиться. 🙂
Явление резонанса может нести как пользу, так и вред: из-за него происходит обрушение зданий и сооружений, но он же является основой, главным фактором в работе музыкальных инструментов.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Виды резонанса
В физике рассматриваются следующие типы резонанса:
-
механический;
-
электрический;
-
акустический.
Помимо этого, в обычной жизни мы используем такие устойчивые выражения, как общественный и когнитивный резонанс. Давай подробнее рассмотрим все эти виды!
Механический резонанс
Механический резонанс — это резонанс, вызванный механическим воздействием.
Сюда можно отнести наш пример с качелями, а еще раскачивание и обрушение моста под действием ветра.
Существует историческое подтверждение этому явлению: 7 ноября 1940 года двухкилометровый Такомский мост в США полностью обрушился. Порывы ветра отклоняли мост в одну сторону, создавая колебания, которые не могло погасить сопротивление воздуха, и из-за упругости конструкции движение по ветру начиналось вновь и вновь. В конечном итоге амплитуда движения стала настолько большой, что мост не выдержал и рухнул.
Механический резонанс очень часто возникает во время строительства, когда частота колебаний частей объекта совпадает с частотой внешних сил (ветра, рабочих инструментов), поэтому инженеры и строители бдительно следят за этими показателями.
Электрический резонанс
Электрический резонанс — это увеличение токов и напряжений на отдельных участках цепи при изменении частоты гармонического сигнала.
Резонанс в электрических цепях возникает при обмене энергией между емкостными элементами — конденсаторами и индуктивными элементами — катушками, которые включены в данную цепь. Амплитуда достигает максимального значения на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие системы уравновешены, и энергии могут свободно циркулировать между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Магнитное поле индуктивного элемента порождает электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в катушке. Этот процесс способен повторяться многократно.
Более подробно об этих явлениях вы можете прочитать в нашей статье «Колебательный контур».
Условие возникновения резонанса в электрической цепи можно выразить формулой
Различают резонанс токов (при параллельном соединении катушки и конденсатора) и резонанс напряжений (при последовательном соединении элементов).
На принципах электрического резонанса функционируют такие приборы, как электрические резонансные трансформаторы, катушка Теслы и многие современные электронные устройства.
Акустический резонанс
С исследования именно этого вида резонанса всё и началось! Галилео Галилей в 1602 году исследовал маятники и струны различных музыкальных инструментов. Открытия, сделанные им, позволили сделать ряд выводов и создать новую отрасль физики — учение о звуковых колебаниях.
Акустический резонанс — это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых совпадает с одной из ее собственных частот вибрации (ее резонансными частотами).
Благодаря акустическому резонансу музыкальные инструменты способны работать, воспроизводить звучание особенным образом. Большую роль в этом играет форма инструмента. Звук, который издает струна, попадает внутрь корпуса и вступает там в резонанс со стенками, что в итоге многократно усиливает его. Грушевидная форма гитары, определенная длина флейты, форма барабана не являются результатом случайного выбора — с древних времен, путем проб и экспериментов, именно это строение каждого инструмента было выбрано из-за наилучшего акустического резонанса.
Характеристики струны также влияют на этот показатель: акустический резонанс зависит от длины, массы и силы натяжения струны.
Формула для расчета частоты резонанса в акустике:
где
Акустический резонанс играет большую роль и для нашего слуха. Благодаря нему наружное ухо усиливает звуки средней частоты, составляющие основную часть спектра речи, а также различает высоту звука и его тембр.
-
Общественный резонанс — событие, на которое общество дает яркий отклик.
-
Когнитивный резонанс — полное совпадение во взглядах и мнениях.
Многие слова и устойчивые выражения, которые мы используем в повседневной жизни, основаны на физических явлениях и законах. Резонанс, инерция, энергия, напряжение и многие другие термины встречаются нам ежедневно, но знаем ли мы, что они на самом деле означают?
Приходите на онлайн-курсы физики школы Skysmart: на них вы научитесь не только мастерски обращаться с научной терминологией, но еще и станете настоящим экспертом в исследовании мира через призму физики! А заодно подготовитесь к экзаменам и повысите оценки в школе.
