Резонанс физика: что это в физике, формулы, виды, примеры

Содержание

Вынужденные колебания. Резонанс — Класс!ная физика

Вынужденные колебания. Резонанс

Подробности
Просмотров: 616

«Физика — 11 класс»

Как получить незатухающие колебания, — те, которые могут длиться неограниченно долго?

Для этого на колебателььную систему должна действовать внешняя периодическая сила.
Такие колебания называются вынужденными.

Работа внешней силы над системой обеспечивает приток энергии к системе извне, который не дает колебаниям затухнуть, несмотря на действие сил трения.

Например, раскачивание ребенка на качелях.
Качели — это маятник, т. е. колебательная система с определенной собственной частотой.
Если начать в правильном ритме подталкивать качели, то можно без большого напряжения раскачать их очень сильно.
При этом произойдет накопление результатов действия отдельных толчков, и амплитуда колебаний качелей станет большой.

В этом случае возникает возможность увеличения амплитуды колебаний системы, способной совершать почти свободные колебания, при совпадении частоты внешней периодической силы с собственной частотой колебательной системы.

Спустя некоторое время колебания качелей приобретут установившийся характер: их амплитуда перестанет изменяться со временем.

При установившихся вынужденных колебаниях частота колебаний всегда равна частоте внешней периодически действующей силы.

Резонанс

Как амплитуда установившихся вынужденных колебаний зависит от частоты внешней силы?
При увеличении частоты внешней силы амплитуда колебаний постепенно возрастает.

Она достигает максимума, когда частота вынужденных колебаний становится равной частоте внешней периодически действующей силы.
При дальнейшем увеличении частоты амплитуда установившихся колебаний уменьшается.

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой ее свободных колебаний называется резонансом.

Почему возникает резонанс?

При резонансе внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями.
Ее направление совпадает с направлением скорости мммаятника, поэтому эта сила совершает только положительную работу.

При установившихся колебаниях положительная работа внешней силы равна по модулю отрицательной работе силы сопротивления.

Большое влияние на резонанс оказывает трение в системе.
Чем меньше коэффициент трения, тем больше амплитуда установившихся колебаний.

Изменение амплитуды вынужденных колебаний в зависимости от трения:

кривая 1 — минимальное трение,
кривая 3 — максимальное трение.
Возрастание амплитуды вынужденных колебаний при резонансе выражено тем отчетливее, чем меньше трение в системе.
При малом трении резонанс «острый», а при большом «тупой».

Согласно закону сохранения энергии вызвать в системе колебания с большой амплитудой при небольшой внешней силе можно только за продолжительное время.
Если трение велико, то амплитуда колебаний будет небольшой, и для установления колебаний не потребуется много времени.

Воздействие резонанса и борьба с ним

Если колебательная система находится под действием внешней периодической силы, и если частота этих периодических усилий совпадает с частотой свободных колебаний системы, то может наступить резонанс и резкое увеличение амплитуды колебаний.

Любое упругое тело, будь то мост, вал двигателя, корпус корабля, представляет собой колебательную систему и характеризуется собственными частотами колебаний.
В то же время железо, сталь и другие материалы при переменных нагрузках со временем теряют прочность, после чего внезапно разрушаются.
Обычно принимаются специальные меры, чтобы не допустить наступления резонанса или ослабить его действие.

Для этого увеличивают трение или же добиваются, чтобы собственные частоты колебаний не совпадали с частотой внешней силы.
Известны случаи, когда приходилось перестраивать океанские лайнеры, чтобы уменьшить вибрацию.


Или при переходе через мост воинским частям запрещается идти в ногу, т.к. строевой шаг приводит к периодическому воздействию на мост.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Механические колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Свободные, затухающие и вынужденные колебания — Условия возникновения свободных колебаний. Математический маятник — Динамика колебательного движения. Уравнение движения маятника — Гармонические колебания — Фаза колебаний — Превращение энергии при гармонических колебаниях — Вынужденные колебания. Резонанс — Примеры решения задач — Краткие итоги главы

Резонанс | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Раздел:

Теория колебаний‎

Резонанс идеальной системы

Из выражения амплитуды вы­нужденных колебаний

A0 = f0 / √((ω02Ω2)2 + 4β2Ω2)

следует, что при частоте вынуждаю­щего воздействия ΩРЕЗ = √(ω02 — 2β2) амплитуда максимальна и равна

A0рез = A0РЕЗ) = f0 / 2β√(ω02 — β2).

При приближении частоты вынуждающего воздействия к резонансной частоте ΩРЕЗ «отклик» системы на внешнее воздействие резко возрастает. Это явление получило назва­ние резонанса.

В колебательных системах с маленьким затуханием (β << ω0) резонансная частота практически совпадает с собственной частотой ко­лебательной системы

ω0, а амплитуда колебаний имеет осо­бенно острый пик. В идеализированных системах, в кото­рых не происходит потерь энергии (β = 0), резонансная частота равна собственной частоте системы: ΩРЕЗ = ω0, а амплитуда при приближении к резонансу стремится к бесконечности. Материал с сайта http://worldofschool.ru

При проектировании раз­личных сооружений и ма­шин всегда учитывают явление резонанса. В ис­тории известно много случаев разрушения ма­шин и зданий в результа­те резонансных раскачи­ваний при совпадении частоты вынуждающего воздействия с собствен­ной частотой объекта.

Бывали случаи разруше­ния мостов, когда по ним проходили колонны лю­дей, шагающих в ногу. Так, в XIX в. в Петербурге обрушился Елагинский мост, когда по нему шел отряд кавалергардов. По­этому перед тем, как вступить на мост, строю солдат дается команда «шагать не в ногу».

На этой странице материал по темам:
  • Зарезонансная зона

  • Колебания физика теория

  • Зона резонанса: неустойчивость вращения валов в зоне резонанса

  • История физики теория резонанса

  • Параметрические неустойчивости плазмы

Резонансное открытие казанского физика-экспериментатора – Наука – Коммерсантъ

текст Александр Кессених, доктор физико-математических наук

«Комиссия вошла в лабораторию N5 без стука в момент, когда я наблюдал ядерно-магнитный резонанс, — сидел за установкой и с помощью реостата изменял силу тока в электромагните Дюбуа… Комиссия пересекла луч света от гальванометра до шкалы и остановилась, не обращая внимания на мои жесты; она стояла полминуты и затем прозвучала фраза: «Здесь все самодельное и не имеет никакой научной ценности».

(Я, очевидно, подпадал тоже под это определение…) Я хотел было заговорить, но комиссия уже шла к двери. Все… Мне было сказано: «Если вы завтра не вытряхнете все из этой комнаты, то будут поставлены у двери часовые с приказом: не пускать вас сюда». Разрушать установку я не мог. Но угроза была приведена в исполнение, комната разгромлена, оборудование выброшено за дверь, а в комнате N5 более полутора лет раздавался хлеб для сотрудников эвакуированных из центра институтов.» Так описывал обстановку в Казанском университете в начале войны выдающийся советский физик-экспериментатор Евгений Завойский. Но именно в военные годы Евгений Завойский сделал важнейшее открытие — обнаружил явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Элементарные частицы (протоны и электроны), атомные ядра и некоторые атомы имеют собственный момент количества движения (спин), магнитный диполь и могут, изменяя ориентацию диполя, на определенных (резонансных) частотах поглощать и излучать электромагнитную энергию — это стало понятно к середине 1930?х годов.

Очевидно, нужно выбрать правильное соотношение напряженности магнитного поля и частоты перпендикулярного к постоянному переменного магнитного поля: для протонного резонанса, например, 1500 эрстед (по?нынешнему 0,15 Тесла) и где?то около 7 МГц.

Возможен  ли этот эффект в жидком и твердом веществе, где много спинов (диполей)? Евгений Завойский и его коллеги, теоретик Семен Альтшулер и физикохимик Борис Козырев, с 1940 года пытались обнаружить ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) в жидком и твердом веществе. До мая 1941 г. на результат не было надежд. Но тут какие?то сигналы (очевидно, ЯМР протонов) начали проявляться. Установка, на которой ученые работали, восстановлена в 1980?х гг. усилиями Игоря Силкина, хранителя музея-лаборатории Евгения Завойского, — и она позволяет спорадически наблюдать ЯМР.

Препятствием на пути к воспроизводимому наблюдению ЯМР была неоднородность (вариация) значений магнитного поля электромагнита. Требовался другой магнит — желательно от циклотрона. Но началась война, из Москвы в Казань прибыли эвакуированные учреждения, ушел на фронт теоретик Альтшулер, уволился Борис Козырев. В те трудные годы Завойскому не раз приходилось руководить кампаниями по заготовке дров и продовольствия для университета, помогать оборонным предприятиям Казани.

В 1943 г. Евгений Завойский утвердил у руководства университета новый план научно-исследовательских работ: изучение поглощения энергии радиоволн в параллельных и, главное, в перпендикулярных магнитных постоянном и переменном полях — и получил комнату на втором этаже старого физмата. Там теперь его музей.

Завойский намеревался изучить различные образцы, среди которых были парамагнитные кристаллические соли меди и марганца и их растворы в воде. Он заменил магнит индуктивными катушками — это сдвинуло диапазон поиска резонанса в сторону более низких полей. Как раз там и можно встретить ЭПР, который при той же частоте должен для свободного электрона наблюдаться в магнитном поле с напряженностью в 658,5 раз меньшей, чем ЯМР протонов.

Выбранные Завойским вещества содержали заметную концентрацию электронных спинов. На кривых, отображавших зависимость сеточного тока от магнитного поля при постоянной частоте облучения, наблюдались пики в предполагаемой для ЭПР области, а изменение частоты приводило к ожидаемому сдвигу сигнала. Завойский получил моральную поддержку от завкафедрой Якова Френкеля и в июле 1944 г. представил в Физический институт в Москве докторскую диссертацию: «Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов».

Истолкование резонансных пиков поглощения в перпендикулярных полях как спинового резонанса вызвало недоверие экспертов из Физического института. Диссертация несколько месяцев не ставилась на защиту, и Евгений Завойский обратился в Институт физических проблем (ИФП). С одобрения Петра Капицы известный экспериментатор ИФП Александр Шальников вызвался помочь Завойскому. За две недели Завойский собрал две установки, на одной были воспроизведены его казанские эксперименты; на другой, в намного более сильном поле те же резонансные эффекты наблюдались еще отчетливее.

30 января 1945 г. Евгений Завойский защитил диссертацию, а в 1947 г. принял приглашение Игоря Курчатова включиться в работу над Атомным проектом.

Кафедра физики, электротехники и автоматики

Кафедра физики, электротехники и автоматики

Кафедра физики, электротехники и автоматики была создана путем объединения кафедры Физики и кафедры Автоматики и электротехники в 2014 году.

  • Физика
  • Электротехника
  • Общая электротехника и электроника
  • Инженерное оборудование и электроснабжение
  • Автоматика и автоматизация производственных процессов
  • Автоматизация и управление процессами теплоснабжения и вентиляции
  • Колебательная спектроскопия дендримеров
  • Молекулярная спектроскопия полимерных систем
  • Ядерный магнитный резонанс в полимерах и биологических системах
  • Электронный парамагнитный резонанс облученных веществ
  • ИК спектроскопия и неразрушающий контроль веществ, материалов и изделий
  • Экспериментальное исследование и математическое моделирование технологических процессов
  • Исследование автоматизированных технологических процессов контроля, регулирования и энергообеспечения
  • Использование компьютерных технологий в преподавании физики
Лаборатория механики
  • В лаборатории механики выполняются работы:
    • Определение ускорения свободного падения на машине Атвуда.
    • Определение моментов инерции твердых тел методом крутильных колебаний.
    • Маятник Максвелла.
    • Изучение вращательного движения с помощью маятника Обербека.
    • Определение момента инерции диска методом вращения.
    • Определение скорости пули методом крутильного маятника.
    • Изучение деформации деревянного бруса.
    • Изучение колебаний связанных систем.
    • Законы сохранения в механике на примере неупругого соударения двух дисков.
Лаборатория термодинамики и молекулярной физики
  • В лаборатории молекулярной оптики и термодинамики выполняются работы:
    • Определение отношения теплоемкостей газов при постоянном давлении и объеме.
    • Определение приращения энтропии при плавлении.
    • Изучение вязкости жидкости методом Стока.
    • Изучение теплопроводности металлов.
    • Определение коэффициента поверхностного натяжения.
    • Диффузия в газах.
    • Цикл Карно.
    • Уравнение Ван-дер-Ваальса.
Лаборатория электродинамики
  • В лаборатории электродинамики и электрических колебаний выполняются работы:
    • Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн.
    • Изучение звуковых волн.
    • Магнитные свойства вещества.
    • Изучение электронного осциллографа.
    • Изучение электрических затухающих колебаний.
    • Сложение колебаний. Биения.
    • Генератор релаксационных колебаний.
    • Определение частоты переменного тока методом резонанса струны.
    • Изучение движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.
Лаборатория электрических машин
  • В лаборатории электрических машин выполняются работы:
    • Исследование однофазного трансформатора.
    • Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
    • Исследование синхронного генератора.
    • Исследование двигателя постоянного тока.
    • Исследование генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.
Лаборатория оптики, физики твердого тела и атомной физики
  • В лаборатории оптики, физики твёрдого тела и атомной физики выполняются работы:
    • Изучение работы полупроводникового диода.
    • Изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры.
    • Определение работы выхода электрона из металла.
    • Изучение эффекта Холла.
    • Электромагнитные волны и их свойства.
    • Определение длины световой волны при помощи бипризмы Френкеля.
    • Изучение дифракции света на зонной пластинке.
    • Изучение дифракции Фраунгофера от щели.
    • Изучение дифракции света на дифракционной решетке.
Лаборатория электрических цепей переменного тока и электроники
  • В лаборатории электрических цепей переменного тока и электроники выполняются работы:
    • Исследование катушки со стальным сердечником.
    • Резонанс напряжений.
    • Резонанс токов.
    • Повышение cosφ.
    • Трехфазный ток – соединение звездой.
    • Трехфазный ток – соединение треугольником.
    • Электрические измерительные приборы.
    • Исследование полупроводникового выпрямителя.
    • Электронный усилитель на транзисторах.
    • Управляемые тиристорные выпрямители.
    • Операционный инвертирующий усилитель.
Лаборатория автоматики
  • В лаборатории автоматики выполняются работы:
    • Фотоэлектрические преобразователи.
    • Измерительные преобразователи давления.
    • Измерительные преобразователи влажности.
    • Измерительные преобразователи температуры.
    • Электронные автоматические мосты и логометры.
    • Электронный автоматический потенциометр.
    • Экспериментальное определение динамических характеристик объекта регулирования.
    • Исследование схем управления и защиты электроприводов.
    • Автоматизация приготовления бетонных смесей.
Компьютерный класс
  • Компьютерные классы:
    • Все компьютеры в классах подключены к локальной сети университета и сети Интернет.
    • При проведении лекционных и практических занятий используется мультимедийное проекционное и видеооборудование, мультимедиа-материалы — от презентаций до учебных видеофильмов.
    • Демонстрационное оборудование и учебно-наглядные пособия хранятся в шкафах, расположенных в специальных помещениях для хранения оборудования и его профилактического обслуживания.

  • Лаборатория механики

  • Лаборатория термодинамики и молекулярной физики

  • Лаборатория электродинамики

  • Лаборатория электрических машин

  • Лаборатория оптики, физики твердого тела и атомной физики

  • Компьютерный класс

  • Лаборатория электрических цепей переменного тока и электроники

  • Лаборатория автоматики

Документы

  • Положение о кафедре
Контактная информация:
  •   420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, корпус 1, этаж 1, каб. 102
  •   +7 (843) 510-47-37
  •    время работы: понедельник — пятница
       с 8.30 до 17.30, перерыв с 12.00 до 12.30

Новый резонанс обнаружен в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН

Российские ученые из МФТИ, МИФИ и ФИАН, работающие в составе международной коллаборации CMS (англ. Compact Muon Solenoid) на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, объявили об обнаружении новой элементарной частицы. Впервые открыто орбитальное возбуждение (резонанс) Ξb(6100) прелестно-странного бариона. Оно распадается на основное состояние Ξb («кси бэ минус барион») и два пи-мезона противоположных зарядов. В работе были использованы данные протон-протонных столкновений, набранные на Большом адронном коллайдере в 2016–2018 годах. Препринт статьи находится на рецензировании в журнале Physical Review Letters.

Стандартная модель, описывающая устройство нашего мира на микроуровне (уровне элементарных частиц), предполагает, что большинство частиц (адроны) состоит из кварков — заряженных фермионов, которые группируются в пары кварк-антикварк (мезоны) или три кварка (барионы). Знакомым всем примером барионов являются протон и нейтрон, состоящие из верхних (up) и нижних (down) кварков. Вместе с электроном они формируют атомы и всю видимую материю во Вселенной.

Помимо этих, самых легких, барионов, существует и множество других состояний, отличающихся кварковым составом, массой, временем жизни и другими характеристиками. Таким семейством являются и Ξb барионы, состоящие из верхнего или нижнего, а также странного (strange) и прелестного (beauty) кварков. Эти частицы живут короткое время и не присутствуют в стабильной материи, окружающей нас, но могут быть получены в экспериментах по физике высоких энергий на Большом адронном коллайдере.

Внутри барионов кварки связаны между собой фундаментальным сильным взаимодействием. В зависимости от конкретной конфигурации кварков внутри бариона частицы с одинаковым кварковым составом могут иметь разные массы и квантовые числа за счет энергии спинового, радиального или орбитального возбуждения. Такие частицы называются резонансами. Один из подобных резонансов и был впервые обнаружен в нынешнем исследовании в распаде на «простой» Ξb барион и два пиона.

Затухающие и вынужденные колебания. Резонанс

На прошлом уроке мы с вами показали, что если в системе происходят свободные колебания, то её полная механическая энергия остаётся постоянной и равной той энергии, которую ей сообщили изначально. Поэтому свободные колебания происходят с постоянной амплитудой и со строго определённой частотой, называемой частотой свободных (собственных) колебаний системы. Эта частота зависит только от параметров системы. Значит маятник, выведенный из положения равновесия, должен бы колебаться бесконечно долго. Иногда мы действительно можем наблюдать колебания, которые длятся достаточно долго. Например, если очень длинный маятник отклонить на малый угол, то его колебания смогут продолжаться в течение многих часов. Однако, как бы долго ни продолжались свободные колебания, маятник в конце концов все-таки остановится. И «виноваты» в этом, конечно же, силы сопротивления, которые в реальных земных условиях действует на всё, что движется.

Причём чем больше силы сопротивления движению, тем быстрее прекращаются колебания. Например, в жидкости колебания прекратятся намного быстрее, чем в воздухе. А если, например, пружинный маятник, жёсткость которого достаточно мала, опустить в стакан с маслом и вывести маятник из положения равновесия, то он совсем не будет колебаться. Под действием силы упругости он просто вернётся в положение равновесия.

Колебания с уменьшающейся амплитудой называются затухающими колебаниями.

Получим график зависимости координаты тела от времени при затухающих колебаниях. Для этого возьмём вертикальный пружинный маятник к грузу которого прикреплён грифель от карандаша. Сзади маятника расположим длинный лист бумаги. Заставив маятник колебаться, будем равномерно перемещать лист бумаги, на котором маятник будет вычерчивать график зависимости своей координаты от времени. Это достаточно простой метод получения временной развёртки колебаний, дающий, тем не менее, достаточно полное представление о процессе колебательного движения.

Так как свободные колебания всегда затухают за то или иное время, то они не находят практического применения. Наиболее простой способ возбуждения незатухающих колебаний состоит в том, чтобы воздействовать на колебательную систему внешней периодической силой, возбуждающей колебания, которые сама система не совершала бы.

Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, мы будем называть вынужденными колебаниями.

​ Основное отличие вынужденных колебаний от свободных состоит в том, что при свободных колебаниях система получает энергию только один раз, когда она выводится из положения равновесия, а при вынужденных колебаниях энергия постоянно пополняется за счёт работы вынуждающей силы.

Рассмотрим особенности вынужденных колебаний на таком опыте. Подвесим пружинный маятник к стержню с изгибом, который можно вращать с помощью рукоятки. Отверстие, через которое проходит подвес маятника, даёт ему возможность двигаться только вверх или вниз.

При вращении рукоятки с постоянной частотой на маятник будет с такой же частотой действовать сила со стороны стержня. У пружинного маятника есть собственная частота колебаний. Пусть частота вращения стержня не равна этой частоте. Тогда под действием периодически изменяющейся силы амплитуда колебаний груза сначала будет неравномерно увеличиваться, так как происходит наложение свободных затухающих колебаний и вынужденных колебаний. При этом работа вынуждающей силы обеспечивает приток энергии к системе извне, который не даёт колебаниям затухать, несмотря на действие сил сопротивления.

А после того, как свободные колебания прекратятся, останутся только вынужденные колебания. При установившихся колебаниях работа внешней силы равна потерям энергии в колебательной системе, а значение установившейся амплитуды определяется: потерями энергии, амплитудой действующей силы, а также частотой или периодом внешней силы.

Если изменять частоту вращения стержня и, соответственно, частоту вынуждающей силы, то можно зарегистрировать характерную зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты, которая называется резонансной кривой. При частоте вынуждающей силы, приближающейся к собственной частоте колебаний маятника, амплитуда колебаний растёт. Она достигает максимума, когда внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями шарика.

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, когда частота вынуждающей силы близка к частоте собственных колебаний системы, называется механическим резонансом.

При этом дальнейшее увеличении частоты вынуждающей силы приводит к уменьшению амплитуды колебаний маятника. А при очень больших частотах внешней силы тело начинает дрожать на месте, так как вследствие своей инертности оно не будет успевать заметно смещаться.

Явление резонанса можно продемонстрировать и на таком опыте. Подвесим на горизонтальный стержень несколько маятников разной длины. При этом, пусть центральный маятник будет намного массивнее остальных.

Приведём его в движение в плоскости, перпендикулярной стержню. Он будет совершать свободные колебания, периодически действуя с некоторой силой на стержень, который будет передавать это воздействие остальным маятникам, и они тоже придут в движение. Но посмотрите, колебания маятников два и три практически незаметны, так как их собственные частоты значительно отличаются от частоты массивного маятника. Амплитуды маятников четыре и пять гораздо заметнее. А вот два последних маятника, длина нити которых такая же, как и у массивного маятника, колеблются с очень большой амплитудой. То есть они вошли в резонанс с массивным маятником.

Так почему же растёт амплитуда колебаний, когда частота вынуждающей силы приближается к частоте собственной колебательной системы? Дело в том, что совпадение частот означает, что равнодействующая силы тяжести и силы упругости нити в самой системе действует «в такт» с вынуждающей силой. И если равнодействующая и вынуждающая силы в какие-то моменты действуют в одном направлении, то они складываются и их действие усиливается. И даже если вынуждающая сила мала́, она всё равно приведёт к росту амплитуды, так как она добавляется к равнодействующей силе каждый период.

С явлением резонанса мы встречаемся довольно часто и в быту, и в технике. Так, например, чтобы выехать из ямки, водитель с определённой частотой включает и выключает сцепление, раскачивая автомобиль. Увеличение амплитуды колебаний автомобиля содействует его выезду из выбоины. Также явление резонанса используют при работе виброустройств, предназначенных для уплотнения сыпучего основания под фундаменты и дороги, уплотнения бетона при заливке фундаментов и так далее.

Однако часто механический резонанс вреден для колебательных систем и может даже вызывать их разрушение. Так произошло в 1750 году во французском городе Анже, когда через мост длиной 102 м, висящий на цепях, проходил отряд солдат.

Подобный случай произошёл и в Петербурге в 1906 г. При переходе по Египетскому мосту через Фонтанку кавалерийского эскадрона частота чёткого шага лошадей совпала с частотой колебаний моста.

Поэтому, например, для предотвращения резонанса поезда переезжают мосты на медленном или на очень быстром ходу, чтобы частота ударов колёс о стыки рельсов была значительно меньше или значительно больше частоты собственных колебаний моста.

примеров резонанса в повседневной жизни

Резонанс возникает, когда частота приложенной силы равна одной из собственных частот вибрации вынужденного или ведомого гармонического осциллятора. Свинг, гитара, маятник, бридж и музыкальная система — вот несколько примеров резонанса в повседневной жизни.
 

С движением ведомого гармонического осциллятора связано очень поразительное явление, известное как резонанс. Она повышается, если внешняя движущая сила периодична с периодом, сравнимым с собственным периодом осциллятора.

В резонансной ситуации движущая сила может быть слабой, амплитуда движения может стать чрезвычайно большой. В случае колеблющегося простого маятника, если мы дуем, чтобы толкнуть маятник всякий раз, когда он оказывается перед нашим ртом, обнаруживается, что амплитуда постоянно увеличивается.

Для демонстрации эффекта резонанса прибор. Горизонтальный стержень AB поддерживается двумя струнами S 1 и S 2 . К этому стержню подвешены три пары маятников aa’, bb’ и cc’.Длина каждой пары одинакова, но различна для разных пар. Если один из этих маятников, скажем, с, сместится в направлении, перпендикулярном плоскости листа бумаги, то его результирующее колебательное движение вызовет в стержне АВ очень слабое возмущающее движение, период которого такой же, как у маятника с’. Благодаря этому легкому движению стержня каждый из оставшихся маятников (aa’, bb’ и cc’) совершает небольшое периодическое движение. Это заставляет маятник с’, длина и, следовательно, период которого точно такие же, как у маятника с, колебаться взад и вперед с постоянно увеличивающейся амплитудой. Однако амплитуды остальных маятников остаются малыми при последующем движении с и с’, так как их собственные периоды не такие, как у возмущающей силы от стержня АВ.

Энергия колебаний исходит от движущего источника. При резонансе передача энергии максимальна.

Примеры резонанса в физике

Мы сталкиваемся с множеством примеров резонанса в повседневной жизни.

  • Качели — хороший пример механического резонанса.Это похоже на маятник с одной собственной частотой, зависящей от его длины. Если на качели давать серию регулярных толчков, их движение может быть чрезвычайно велико. Если толчки даются неравномерно, качели почти не будут вибрировать.
  • Колонне солдат при марше по длиннопролетному мосту рекомендуется ломать ступеньки. Их ритмичный марш может вызвать колебания опасно большой амплитуды в конструкции моста.
  • Включение радио — лучший пример электрического резонанса.Когда мы поворачиваем ручку радиоприемника, чтобы настроиться на станцию, мы изменяем собственную частоту электрической цепи приемника, чтобы сделать ее равной частоте передачи радиостанции. Когда две частоты совпадают, поглощение энергии максимально, и мы слышим только эту станцию.
  • Другим хорошим примером резонанса является разогрев и равномерное приготовление пищи в микроволновой печи. Волны, создаваемые в печи этого типа, имеют длину волны 12 см при частоте 3450 МГц.На этой частоте волны поглощаются из-за резонанса едоком и молекулами жира в пище, нагревая их и таким образом готовя пищу.

Давайте посмотрим видео прямо сейчас:

Затухающие колебания

Общеизвестно, что амплитуда колебаний простого маятника постепенно уменьшается со временем, пока не станет равной нулю. Такие колебания, при которых амплитуда монотонно уменьшается со временем, называются затухающими колебаниями.

Из нашего повседневного опыта известно, что движение любой микроскопической системы сопровождается эффектами трения. При описании движения простого маятника этот эффект полностью игнорировался. Когда груз маятника движется взад и вперед, в дополнение к весу груза и натяжению струны груз испытывает вязкое сопротивление из-за своего движения в воздухе. Таким образом, простое гармоническое движение есть идеализация. На практике амплитуда этого движения постепенно становится все меньше и меньше из-за трения и сопротивления воздуха, потому что энергия осциллятора основана на выполнении работы против сил сопротивления.Амплитуда затухающей простой гармонической волны изменяется со временем по сравнению с идеальной незатухающей гармонической волной. Таким образом мы видим, что:

Демпфирование – это процесс рассеяния энергии колебательной системы.

Затухающие колебания применяются в амортизаторе автомобиля, который обеспечивает демпфирующее усилие для предотвращения чрезмерных колебаний.

См. также: Разница между свободными и вынужденными колебаниями

Резкость резонанса

Мы видели, что при резонансе амплитуда осциллятора становится очень большой.Если амплитуда быстро уменьшается на частоте, немного отличающейся от резонансной, резонанс будет резким. Амплитуда, а также ее резкость зависят от затухания. Чем меньше демпфирование, тем больше амплитуда и резче резонанс.

Система с сильным демпфированием как довольно плоская резонансная кривая, выраженная в амплитуде-частоте.

Эффект демпфирования можно наблюдать, прикрепив к стержню маятник, имеющий легкую массу, например, пробковый шарик, и другой такой же длины, несущий тяжелый груз, например, свинцовый груз такого же размера.Их приводит в колебание третий маятник равной длины, прикрепленный к тому же стержню. Замечено, что амплитуда ведущего боба намного больше, чем у пробкового мяча. Демпфирующий эффект пробкового мяча из-за сопротивления воздуха намного больше, чем при покачивании головой.

Резонанс в физике с анимацией

Просмотр:

Резонанс, разрушение моста Такома-Нарроуз и учебники физики для студентов: Американский журнал физики: Том 59, № 2

Драматическая катастрофа на мосту Такома-Нарроуз в 1940 году до сих пор находится в центре внимания общественности.Примечательно, во многих бакалаврах физики текстов катастрофа представляется в качестве примера элементарных F O R C E D R E S O N a n c e механического осциллятора, с ветром, обеспечивающим внешнюю периодическую частоту, соответствующую естественной структурной частоте. Это упрощенное объяснение долгое время существовало во многих текстах и ​​продолжается по сей день, с еще более подробным изложением в некоторых новых и обновленных текстах.Инженеры, с другой стороны, изучали это явление в течение последних пятидесяти лет, и их нынешнее понимание коренным образом отличается от точки зрения, выраженной в большинстве текстов по физике. В настоящей статье точка зрения инженеров представлена ​​физическому сообществу, чтобы прояснить, в чем существуют существенные разногласия. Во-первых, указывается, что одна вводящая в заблуждение идентификация вынужденного резонанса возникает из представления о том, что периодические естественные вихревые потоки ветра над сооружением были источником разрушительного внешнего возбуждения.Затем он продемонстрировал, что конечный провал моста был на самом деле связан с аэродинамически вызванным состоянием S E L F E C I T a t i o n или «отрицательное демпфирование» в торсионной степени свободы. Вовлеченные аэроэатустики IN I N T E R R R R T I V E , в котором развитые силы ветер были сильно связаны с структурным движение.Эта статья подчеркивает тот факт, что, физически, а также математически, F O R C E D R E S O N A N C E и S E L F E x C I T A T I O n — это принципиально разные явления.Статья завершается количественной оценкой феномена Tacoma Narrows, которая полностью согласуется с задокументированным действием как самого моста в его последние моменты, так и его полной, динамически масштабируемой модели, изученной в 1950-х годах.

Резонанс: Землетрясения в Макароны | PhysicsCentral

Вы когда-нибудь задумывались, что заставляет здания рушиться во время землетрясения? Попробуйте смоделировать это явление с помощью лапши и хлеба, чтобы увидеть, что получится!

Что вам нужно

  • Три куска длинной сухой макаронной лапши
  • Кусочки хлеба

Что делать

1.Разделите лапшу макарон на три части разной длины: 6 дюймов, 5 дюймов и 4 дюйма.

2. Оторвите небольшой кусочек хлеба и прикрепите его к каждой лапше для придания веса.

3. Держите все три палочки в одной руке так, чтобы нижние части макарон были в одной руке.

4. Медленно покачивайте рукой вперед и назад.

5. Обратите внимание, что только один из макарон колеблется.

6. Увеличьте скорость рукопожатия.

7.Обратите внимание, что начальная макаронная лапша перестала двигаться, а следующая теперь колеблется.

8. Еще раз увеличьте скорость, чтобы увидеть, как последняя полоса лапши начинает колебаться, а остальные остаются неподвижными.

Ниже вы можете увидеть, как двигается лапша, когда вы меняете скорость дрожания рук (частоту).

Низкочастотный

Средняя частота

Высокочастотный

Что происходит?

В общем смысле частота означает, сколько раз что-то происходит за одну секунду.Здесь мы двигаем руками взад-вперед, заставляя макароны и смесь из хлеба раскачиваться взад-вперед. В этом случае частота измеряет, как часто лапша макарон совершает один полный оборот.

Вы начинаете с очень низкой частоты, медленно покачивая рукой вперед и назад. Самая высокая лапша начнет колебаться с самой низкой частотой, а самая короткая лапша требует для колебаний самую высокую частоту.

При встряхивании на своих резонансных частотах объекты будут колебаться с большей амплитудой (большие колебания), чем на других частотах.Лапша трясется больше, потому что частота, с которой вы двигаете руками, приближается к резонансной частоте лапши на такой длине.

Вы можете увидеть, как меняются колебания на видео ниже.

Примени это!

Если представить лапшу с макаронами в виде зданий, а движение руки — землетрясением, то можно увидеть, что для сотрясения более высоких зданий требуется меньше движений, а для сотрясения меньших зданий требуется гораздо более высокая частота колебаний. Если вы увеличите частоту тряски руки, лапша сломается.

— Джейми Гарретт

магнитный резонанс | Infoplease

магнитный резонанс, в физике и химии, явление, вызванное одновременным приложением постоянного магнитного поля и электромагнитного излучения (обычно радиоволн) к образцу атомов, а затем регулированием частоты излучения и силы магнитного поля для производят поглощение излучения. Резонанс относится к усилению поглощения, которое происходит, когда достигается правильное сочетание поля и частоты.Процедура аналогична настройке радиоприемника точно на нужную станцию.

Существует несколько различных видов магнитного резонанса. В циклотронном резонансе магнитное поле регулируется так, что частота обращения заряженной частицы вокруг силовых линий в точности равна частоте излучения. Этот принцип используется для получения пучков энергичных частиц в ускорителях частиц.

Другие явления магнитного резонанса зависят от того факта, что и протон, и электрон обладают собственным вращением вокруг своих осей и, таким образом, действуют как микроскопические магниты.Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) возникает из-за неспаренных электронных спинов в жидкостях или твердых кристаллах. Из-за собственного магнетизма спины выстраиваются в линию с внешним магнитным полем. Для заданного магнитного поля спины могут быть перевернуты в противоположном направлении, когда они поглощают излучение на соответствующей резонансной частоте. С точки зрения квантовой механики спиновые перевороты можно рассматривать как переходы между состояниями, которые становятся разделенными по энергии при приложении магнитного поля.Эффект связан с расщеплением спектральных линий, когда атом подвергается воздействию магнитного поля (см. спектр; эффект Зеемана).

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) аналогичен ЭПР; однако ЯМР создается гораздо меньшим магнетизмом, связанным с неспаренными ядерными спинами. Резонансная частота ЯМР (обычно частота протонов в сложных молекулах) слегка смещается из-за взаимодействия с соседними атомами в образце, что дает информацию о химической структуре органических молекул и других материалов.ЯМР в настоящее время широко используется в медицине, хотя использование слова ядерный избегается, предпочтительное название — магнитно-резонансная томография (МРТ). Методика позволяет получать качественные поперечные изображения внутренних органов и структур. Пол Лаутербур, американский физик, и Питер Мэнсфилд, британский физик, разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2003 года за новаторский вклад, который позже привел к применению магнитного резонанса в медицинской визуализации.

Магнитный резонанс также может происходить без внешнего магнитного поля из-за взаимодействия электронных и ядерных спинов; такой резонанс создает тонкую и сверхтонкую структуру атомных спектров.

Электронная энциклопедия Колумбии, , 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. больше статей энциклопедии на тему: Физика

Эпизод 307: Резонанс | IOPSpark

Резонанс

Силы и движение | Свет, звук и волны

Эпизод 307: Резонанс

Урок для 16-19

  • Время активности 150 минут
  • Уровень Передовой

Простые гармонические осцилляторы показывают резонанс, если они вынуждены вибрировать на своей собственной частоте.Это явление имеет большое значение во многих аспектах науки.

Итоги урока

  • Обсуждение: Резонанс как явление (10 минут)
  • Демонстрация: маятники Бартона (10 минут)
  • Учебное задание: Приложение принудительного маятника (20 минут)
  • Студенческий эксперимент: Выбор модельных систем (30 минут)
  • Вопросы учащихся: Вопросы по резонансу (40 минут)
  • Обсуждение: Влияние демпфирования на резонанс (10 минут)
  • Демонстрация и чтение для учащихся: Катастрофа на мосту Такома-Нарроуз (30 минут)
Дискуссия: Резонанс как явление

Генератор можно заставить вибрировать с увеличивающейся амплитудой; сделать это; энергия должна быть направлена ​​в правильном направлении.

Ребенок на качелях в парке — классический пример, который может представить каждый. Толчок должен происходить с той же 90 343 естественной частотой, что и колеблющееся маятникоподобное колебание, и в нужной точке цикла качания.

Таким образом, то, как энергия перемещается в систему, должно быть настроено на осциллятор, или осциллятор должен иметь возможность настраиваться на то, как эта энергия перемещается. При совпадении собственной частоты и частоты принуждения получается резонансная система.Основная резонансная частота является синонимом собственной частоты генератора.

Резонанс может привести к очень большой амплитуде колебаний, что может привести к повреждению. Например. здания и т. д. должны иметь свою собственную частоту, сильно отличающуюся от вероятной частоты вибрации из-за землетрясений.

Демонстрация: маятники Бартона

Маятники Бартона — известная демонстрация эффекта резонанса.

Эпизод 307-1: Маятники Бартона (Word, 38 КБ)

Учебное задание: Приложение принудительного маятника

Исследуйте виртуальный маятник, который можно форсировать.

Эпизод 307-2: Вынужденные колебания (Word, 20 КБ)

Студенческий эксперимент: выбор модельных систем

Студенты могут быть распределены для одного из следующих экспериментов (дублировать легко), после чего следует короткое общее заседание, на котором каждая система демонстрируется всему классу.

Эпизод 307-3: Книга на нитке (Word, 41 КБ)

Эпизод 307-4: Резонанс молочной бутылки (Word, 91 КБ)

Эпизод 307-5: Резонанс ножовочного полотна (Word, 66 КБ)

Эпизод 307-6: Резонанс массы на пружине (Word, 98 КБ)

Вопросы учащихся: Вопросы по резонансу

Эпизод 307-7: Энергия осциллятора и резонанс (Word, 59 КБ)

Эпизод 307-8: Резонанс в подвеске автомобиля (Word, 204 КБ)

Эпизод 307-9: Подвеска автомобиля (Word, 21 КБ)

Обсуждение: Влияние демпфирования на резонанс

Если резонансную систему форсировать на частотах выше или ниже резонансной (собственной) частоты f 0 , амплитуда колебаний уменьшится.Пик резонансной кривой приходится на f 0 . Возможно, вам придется обсудить, как форма кривой зависит от степени демпфирования.

Эпизод 307-10: Резонанс (Word, 47 КБ)

Демонстрация и чтение для учащихся: Катастрофа на мосту Такома-Нарроуз.

Катастрофа на мосту Такома-Нарроуз обычно описывается как следствие резонанса. Тем не менее, все детали механизма все еще обсуждаются. Если возможно, покажите видео моста, когда он рухнул при сильном ветре 7 ноября 1940 года.Однако кажется более чем вероятным, что это пример положительной обратной связи, своего рода обратное демпфирование , создавшее этот эффект.

Эпизод 307-11: Катастрофа на мосту Такома-Нарроуз (Word, 100 КБ)

. Эпизод 307-12: Tacoma Narrows: переоценка улик (Word, 57 КБ)

Магнитно-резонансная физика сердечно-сосудистой системы для клиницистов: часть I

Есть много превосходных специализированных текстов и статей, описывающих физические принципы сердечно-сосудистых методов магнитного резонанса (CMR).Есть также много текстов, написанных для клиницистов, которые представляют собой понятное, более общее введение в основные физические принципы методов и приложений магнитного резонанса (МР). Однако существует очень мало текстов или статей, в которых делается попытка дать базовое введение в физику МРТ, предназначенное для клиницистов, использующих МРТ в своей повседневной практике. Это первый из двух обзоров, которые призваны охватить основные аспекты физики CMR таким образом, чтобы он был понятен и актуален для этой группы.Он начинается с объяснения основных физических принципов МРТ, включая описание основных компонентов системы визуализации МРТ и трех типов магнитного поля, которые они генерируют. Объясняется происхождение и метод получения МР-сигнала в биологических системах, уделяя особое внимание двум свойствам релаксации намагниченности ткани (T1 и T2), которые вызывают различия в сигнале от тканей, показывая, как их можно использовать для создания контраста изображения. для характеристики тканей.Описан метод, наиболее часто используемый для локализации и кодирования эхосигналов МР-сигнала для формирования изображения поперечного сечения, в котором представлена ​​концепция k-пространства и показано, как хранящиеся в нем данные МР-сигнала соотносятся со свойствами реконструированного изображения. Перед подробным описанием методов получения CMR вводятся основные последовательности спинового эха и градиентных импульсов, определяющие ключевые параметры, влияющие на контрастность изображения, включая внешний вид в присутствии текущей крови, разрешение и время получения изображения.Затем более подробно описываются основные производные этих двух импульсных последовательностей, используемых для визуализации сердца. Двумя ключевыми требованиями для CMR являются необходимость в том, чтобы сбор данных сначала был синхронизирован с ЭКГ субъекта и был достаточно быстрым, чтобы субъект мог задерживать дыхание. Поэтому методы синхронизации ЭКГ с использованием как триггерного, так и ретроспективного стробирования, а также ускоренного сбора данных с использованием турбо- или быстрого спин-эхо и импульсных последовательностей градиентного эхо-сигнала описаны более подробно.Показано, как препарат черной крови с двойной инверсией в сочетании с регистрацией последовательностей импульсов турбо- или быстрого спин-эхо используется для получения высококачественных анатомических изображений. Для функциональной визуализации сердца с использованием последовательности импульсов градиентного эхо-сигнала кинофильма две производные последовательности импульсов градиентного эхо-сигнала; сравниваются искаженное градиентное эхо и сбалансированная стационарная свободная прецессия (bSSFP). В каждом случае определены и объяснены основные важные параметры визуализации и термины, специфичные для производителя.

Физика резонанса: обрушение моста Такома-Нарроуз — видео и стенограмма урока

Гармоническое движение

Прежде чем узнать о резонансной частоте и о том, как она связана с катастрофой на Такомском узком мосту, нам сначала нужно понять то, что называется гармоническим движением.Когда у вас есть объект, который периодически колеблется взад и вперед, мы говорим, что он испытывает гармоническое движение .

Одним из замечательных примеров объекта, совершающего гармоническое движение, является свободно висящая пружина с прикрепленной к ней массой. Масса заставляет пружину растягиваться вниз, пока, в конце концов, пружина не сожмется обратно вверх, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Этот процесс продолжает повторяться, и мы говорим, что пружина находится в гармоническом движении.

Пружина и масса в гармоническом движении

Если вы посмотрите видео с моста Такома-Нарроуз, вы увидите, что он колебался до того, как рухнул.Хотя физика колебания большой конструкции намного сложнее, чем в примере с пружиной, они оба подпадают под одни и те же основные концепции. Он совершал гармоническое движение точно так же, как пружина с прикрепленной к ней массой.

Демпфированный и управляемый

До сих пор мы концентрировались на сходстве между колебанием Tacoma Narrows Bridge и пружиной с прикрепленным грузом, но между этими двумя ситуациями также есть одно существенное различие.

Пружина с прикрепленным грузом в конце концов замедляется и перестает колебаться; однако это не относится к Tacoma Narrows Bridge.Он просто продолжает раскачиваться на ветру, пока буквально не рассыплется на части. Причина, по которой пружина останавливается, а мост не связан с типом гармонического движения, которое они испытывают.

Пружина с прикрепленным к ней грузом совершает затухающие гармонические движения. Затухающий гармонический осциллятор постоянно теряет энергию. Во многих случаях эта энергия теряется из-за трения, сопротивления воздуха или их комбинации. Это относится и к нашей пружине, потому что она медленно теряет энергию из-за сопротивления воздуха и трения, пока полностью не перестанет колебаться.

Затухающий гармонический осциллятор

Вместо демпфирования Tacoma Narrows Bridge испытал гармоническое движение. Генератор гармоник , управляемый , получает энергию от какого-то внешнего источника. В случае с Tacoma Narrows Bridge именно ветер добавлял ему энергии, чтобы поддерживать его колебания. Без ветра, поддерживающего его движение, мост был бы затухающим осциллятором и в конце концов замедлился бы до полной остановки, как пружина.

Обрушение моста Такома-Нарроуз

День, когда рухнул мост Такома-Нарроуз, был не первым днем, когда ветер заставил его колебаться — отсюда и прозвище «Галопирующая Герти», данное ему еще до того, как строительство было завершено. Так что же изменилось в тот день, когда мост рухнул на части? В тот день ветер постоянно заставлял мост колебаться с собственной частотой.

Мост Такома-Нарроуз рухнул

Каждый объект имеет собственную частоту, с которой ему нравится вибрировать.Когда ветер заставляет мост колебаться с его собственной частотой, мы говорим, что они находятся в резонансе . Это приводит к усилению колебаний моста.

В данном случае колебания Такомского узкого моста были настолько усилены и длились так долго, что его конструкция не выдерживала движения. Когда колебания стали слишком большими, мост развалился и упал в реку.

Итоги урока

Давайте уделим несколько минут обзору того, что мы узнали о физике резонанса и известном историческом случае этого явления.

В 1940 году мост Такома-Нарроуз в Вашингтоне рухнул во время урагана всего через четыре месяца после завершения строительства. Прямо перед обрушением было видно, что мост колебался в гармоническом движении , когда объект периодически колеблется взад-вперед. Несмотря на то, что мост был чрезвычайно гибким, эти колебания оказались слишком сильными для моста.

Причиной обрушения моста было несколько факторов.Во-первых, это тип гармонического движения, которое он испытывал. Мост действовал как гармонический осциллятор , управляемый , потому что ураган добавлял энергии мосту, который поддерживал его непрерывные колебания. Без этого непрерывного ветра мост был бы затухающим гармоническим осциллятором , который медленно теряет свою энергию и со временем перестает колебаться.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.