Резонанс

Примеры

Один знакомый пример — колебание детской площадки, которое действует как маятник. Подталкивание человека в колебании вовремя с естественным интервалом колебания (его резонирующая частота) заставит колебание повыситься и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки выдвинуть колебание в более быстром или более медленном темпе приведут к меньшим дугам. Это вызвано тем, что энергия, которую поглощает колебание, максимизируется, когда толчки «в фазе» с естественными колебаниями колебания, в то время как часть энергии колебания фактически извлечена противостоящей силой толчков, когда они не.

Резонанс происходит широко в природе и эксплуатируется во многих искусственных устройствах. Это — механизм, которым фактически произведены все синусоидальные волны и колебания. Много звуков, которые мы слышим, такой как тогда, когда твердые объекты металла, стекло или древесина поражено, вызваны краткими резонирующими колебаниями в объекте. Свет и другая короткая длина волны электромагнитная радиация произведены резонансом на уровне атомов, таком как электроны в атомах. Другие примеры:

Хронометрируя механизмы современных часов и часов, например, балансир в механических часах и кварцевый кристалл в кварце наблюдают
Приливный резонанс Залива Фанди
Акустические резонансы музыкальных инструментов и человеческих голосовых связок
Разрушение кристаллического бокала, когда выставлено музыкальному тону правильной подачи (ее резонирующая частота)
Электрический резонанс настроенных схем в радио и телевизоры, которые позволяют радиочастотам быть выборочно полученными
Создание когерентного света оптическим резонансом в лазерной впадине
Орбитальный резонанс, как иллюстрируется некоторыми лунами газовых гигантов солнечной системы
Материальные резонансы в уровне атомов — основание нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированного вещества

Как частота связана с явлением резонанса?

Общее определение резонанса вполне приемлемо для рассмотрения аналогичных электрических процессов. Природа явления в данном случае зависит от параметров компонентов, формирующих цепь прохождения сигнала. Индукционный элемент и конденсатор выполняют функции накопителей энергии. Постепенное уменьшение амплитуды обеспечивает электрическое сопротивление – аналог силы трения в механической системе.

Различают параллельный и последовательный резонанс при выборе соответствующего схемотехнического решения. В первом варианте обеспечивают увеличение силы тока при совпадении частот. Во втором – напряжения.

Z = √ R2 (2π * f * L – 1/2π * f * C)2.

Формулы и амплитудно-частотные характеристики последовательного контура

Что такое резонанс напряжений, показано на рисунке.

При каких условиях возникает явление: основные условия

Резонанс электротоков и напряжений появляется в результате сохранения тождества реактивных характеристик сопротивляемости сети. Несмотря на это, в ней должна быть и активная характеристика хотя бы минимального значения. Частота же генератора питания соединения всегда должна совпадать с частотой резонанса контура индуктивно-емкостной сети.

Обратите внимание! Условие работы сопротивления активного типа в реальных действующих схемах выполняется практически всегда. Одна лишь реактивная характеристика емкости и индуктивности возможна только в изолированных и теоретических примерах

График и векторная диаграмма возникновения резонирования

Во время резонанса дроссель и конденсатор обмениваются накопленной энергией. В теоретических примерах, когда происходит первое подключение электрогенератора (в качестве питательного источника), энергия копится в катушке индуктивности или конденсаторе. После выключения электрогенератора из сети возникают колебания незатухающего характера, возникшие в результате этого обмена.

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 напряжений

Если последовательно с генератором соединить конденсатор и катушку индуктивности, то, при условии равенства их реактивных сопротивлений, возникнет резонанс напряжений. При этом активная часть Z должно быть как можно меньшей.

Стоит отметить, что индуктивность и емкость обладает только реактивными качествами лишь в идеализированных примерах. В реальных же цепях и элементах всегда присутствует активное сопротивление проводников, хоть оно и крайне мало.

При резонансе происходит обмен энергией между дросселем и конденсатором. В идеальных примерах при первоначальном подключении источника энергии (генератора) энергия накапливается в конденсаторе (или дросселе) и после его отключения происходят незатухающие колебания за счет этого обмена.

Напряжения на индуктивности и емкости примерно одинаковы, согласно закону Ома:

U=I/X

Где X — это Xc емкостное или XL индуктивное сопротивление соответственно.

Цепь, состоящую из индуктивности и емкости, называют колебательным контуром. Его частота вычисляется по формуле:

Период колебаний определяется по формуле Томпсона:

Так как реактивное сопротивление зависит от частоты, то сопротивление индуктивности с ростом частоты увеличивается, а у ёмкости падает. Когда сопротивления равны, то общее сопротивление сильно снижается, что отражено на графике:

Основными характеристиками контура являются добротность (Q) и частота. Если рассмотреть контур в качестве четырехполюсника, то его коэффициент передачи после несложных вычислений сводится к добротности:

K=Q

А напряжение на выводах цепи увеличивается пропорционально коэффициенту передачи (добротности) контура.

Uк=Uвх*Q

При резонансе напряжений, чем выше добротность, тем больше напряжение на элементах контура будет превышать напряжение подключенного генератора. Напряжение может повышаться в десятки и сотни раз. Это отображено на графике:

Потери мощности в контуре обусловлены только наличием активного сопротивления. Энергия из источника питания берется только для поддержания колебаний.

Коэффициент мощности будет равен:

cosФ=1

Эта формула показывает, что потери происходят за счет активной мощности:

S=P/Cosф

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.

Опасность и польза резонанса

Полезный результат понятен из примера с колоколом. Человек со средними физическими способностями способен создать перезвон, который слышен на очень большом расстоянии. Для аналогичной силы звука с применением электронной аппаратуры необходимо применить мощнейший усилитель и огромный динамик.

Для воспроизведения аудио сигнала с помощью подобной аппаратуры придется затратить много электроэнергии

Резкий нерегулируемый рост амплитуды на определенном уровне превышает прочностные характеристики конструкции. Именно такое воздействие ветровых нагрузок разрушило такомский мост в США. Чтобы исключить опасные ситуации, вместо сложного инженерного расчета офицеры командуют солдатам шагать не в ногу при переходе водных преград по таким конструкциям.

В словаре Д.Н. Ушакова

РЕЗОНА́НС, резонанса, мн. нет, ·муж. (от ·лат. resonans — дающий отзвук).1. Ответное звучание одного из двух тел, настроенных в унисон (физ.).2. Способность увеличивать силу и длительность звука, свойственная помещениям, внутренняя поверхность которых может отражать звуковые волны. В концертном зале хороший резонанс. В комнате плохой резонанс.3. Возбуждение колебания тела, вызываемое колебаниями другого тела той же частоты и передаваемое находящейся между ними упругой средой (мех.).4. Соотношение между самоиндукцией и емкостью в цепи переменного тока, вызывающее максимальные электромагнитные колебания данной частоты (физ., радио).5. перен. Отзвук, отголосок (·книж. ).

Определение резонанса

Несложно изучить механический резонанс что это, простыми словами поясняют следующим образом. При слишком частых ударах в крупный колокол звук быстро затухает. Постепенным увеличением интервала даже без изменения силы воздействия можно создать мощные звуковые колебания. Этот пример демонстрирует совпадение обозначенных выше частот.

При уменьшении размеров колокола для получения нужного эффекта изменяют ритм воздействий

В сложных системах необходимо учитывать наличие нескольких резонансных частот и соответствующий суммарный показатель. Также следует отметить добротность. Этим термином принято означать способность объекта воспринимать внешние колебания. При значениях, близких к единице, допустимо критическое возрастание амплитуды колебаний, вплоть до механического разрушения.

Польза и вред резонанса

Изложенные сведения применяют для решения разных прикладных задач. Выяснив, что такое резонанс в физике, можно с помощью малых внешних сил развивать большую полезную мощность. Точный расчет предотвратит вредные воздействия, ухудшающие функциональное состояние механических аппаратов и электротехнических схем.

Положительный эффект

Изложенные принципы объясняют применение резонанса для обработки сигналов. Точный расчет компонентов и коэффициента связи контуров поможет создать эффективный фильтр, пропускающий электромагнитные колебания в определенном частотном диапазоне.

Последовательный контур можно использовать для повышения напряжения, если сеть питания неспособна поддерживать необходимый уровень. Правильно подобранный конденсатор обеспечит плавное включение привода, что продлит срок службы оборудования и снизит нагрузку на электростанцию.

К сведению. Хорошо известно применение резонанса в технике измельчения твердых горных пород. Аналогичный результат (ускорение процесса) получают при оснащении дрели ударно-возвратным механизмом.

С помощью перфоратора сверление отверстий в прочных железобетонных стенах выполняется быстро и без чрезмерных усилий

Отрицательное воздействие

Резонанс разрушает прочные конструкции, функциональные узлы, механизмы. При ошибках в расчетах это явление ухудшает работоспособность электрических схем. Особо сильные воздействия провоцируют аварийные ситуации.

В качестве примера можно привести резонансные частоты, которые учитывают при создании санитарных, технических и производственных нормативов:

стоящий, сидящий и лежащий человек: 4-13 (16-26), 4-7 и 2,5-3 Гц, соответственно;
голова: 18-35 Гц;
грудная клетка: 2,5-4 Гц;
брюшная полость: 6-9 Гц.

При совпадении частоты вибраций (от инструмента, работающего оборудования) ухудшается состояние нервной системы, провоцируются паталогические изменения в организме.

Резонанс в обычной жизни

В быту мы часто сталкиваемся с резонансом, даже не задумываясь о смысле явления. Он используется в:

радиопередатчиках и приемных устройствах;
микроволновых печах;
музыкальных инструментах.

В поле акустики при игре на гитаре в определенный момент струны начинают вибрирующие движения. Слышен звук при отсутствии непосредственного воздействия игрока. Энергия от поглощения колебаний сильно возрастает к моменту, когда толчки (воздействие) совпадают с естественными движениями.

Отклик распространен в природе и искусственных устройствах. Многие слышат звук, источником которого является удар твердого предмета (металл, стекло, дерево). Они вызываются колебаниями малой частоты.

Феномен залива Фанди

Между Нью-Брансуик и Новой Шотландией в Канаде на побережье Атлантического океана расположен залив, известный на весь мир самым сильным приливом. Перепад в отметках между уровнями в момент максимальных значений достигает 18 метров. За один цикл свыше ста миллиардов тонн воды проходит через центральный вход залива. Продолжительность одного периода отлива-прилива постоянна – около 6 часов 13 минут.

Уникальностью природное явление «обязано» природными характеристиками:

огромному количеству воды, проходящем через горловину залива;
неповторимым очертаниям берегов;
резонансному эффекту.

По сравнению со средней высотой прилива в океанах – 3 фута (около 1 м) гигантский размах поступательных движений водяной массы поражает. Физический смысл явления объясняется причинами:

жидкость в любом объеме имеет свой период «колебаний», она постоянно движется с одним ритмом;
частота движений полностью зависит от размеров резервуара – длины и глубины;
большие размеры залива обеспечивают постоянство внутренних колебаний воды;
цикл прилива (отлива) совпадает с внутренними колебаниями воды.

При начале прилива огромная водяная масса доходит до противоположного берега, затем движется в обратном направлении. Происходит совпадение момента отката воды и отлива. При этом волна получает дополнительное ускорение.

Для модели подойдет емкость длинной формы с водой, если ее раскачивать вдоль в одном ритме с движением жидкости. Спустя несколько колебаний вода будет переливаться через край. В заливе Фанди система более уравновешенная, и поэтому перелива нет.

Где можно наблюдать пример резонанса?

Важно понимать, что примеры проявления резонанса встречаются практически во всех сферах физики, начиная от звуковых волн и заканчивая электричеством. Смысл резонанса заключается в том, что когда частота вынуждающей силы равна собственной частоте системы, то в этот момент амплитуда колебаний достигает наивысшего значения

Существуют также те сферы физики, где можно использовать такое явление, как полезный резонанс. Примеры могут удивить вас, ведь обычно мы используем его интуитивно, даже не догадываясь о научной стороне вопроса. Так, например, мы используем резонанс, когда пытаемся вытащить машину из ямы. Вспомните, ведь легче всего достичь результат только тогда, когда толкаешь машину в момент ее движения вперед. Этот пример резонанса усиливает амплитуду движения, тем самым помогая вытащить машину.

Принцип работы резонанса

Если сопротивление емкости и индуктивности подключить последовательно, то они вызовут в переменной цепи гораздо меньший сдвиг фаз, чем при отдельном включении. Говоря иначе, одновременное воздействие индуктивности и емкости создает компенсационные силы сдвига фаз. Полностью сдвиг компенсируется лишь в том случае уравнивания индуктивного и емкостного сопротивления, когда ωL = 1 / ωС.

Обратите внимание! Такая схема будет полностью характеризоваться активным R, то есть вести себя так, как будто в нее не подключены дроссель и конденсатор. Эта сопротивляемость будет равна сумме всех активных характеристик катушки и проводов соединения

Вместе с этим рабочие напряжения дросселя и конденсатора будут равными и максимальными для данных условий. Если при маленьком активном сопротивлении данные характеристики значительно превысят общую напряженность цепи, то напряжения начнут резонировать.

Суть явления

Впервые применение резонанса в виде примера встречается в работах итальянского учёного и техника Торричелли, жившего в Средние века. А точное определение этому явлению, связанному с вынужденными колебаниями, первым дал Галилео Галилей в трактате о маятниках и музыкальных струнах. Объяснение же природы электромагнитного резонанса принадлежит основоположнику современной электродинамики Генри Максвеллу.

Механический аспект

В качестве простейшего примера для описания механического резонанса можно привести раскачивание детских качелей. Амплитудой в этом случае будет наибольшая высота подъёма качели над уровнем горизонта, а частотой — количество прохождений самой низкой точки за 1 секунду.

Запущенные качели, представляя собой колебательную систему, имеют собственную частоту и начальную амплитуду, увеличить которую можно довольно легко, если толкать качели с частотой, совпадающей с их собственной. Усилия, прикладываемые в этом случае, не имеют решающего значения. На увеличение высоты подъёма будет влиять в большей степени совпадение частот колебаний качелей и периодичности внешнего воздействия.

Основой работы любого механического резонатора является взаимное преобразование двух видов энергий:

потенциальной;
кинетической.

В случае с качелями, которые по свойствам представляют собой простой маятник, потенциальная энергия, согласно кривой графика зависимости, достигает максимума в самой верхней точке, а по мере опускания вниз — к положению равновесия — постепенно переходит в кинетическую, набирая наибольшее значение при прохождении самой нижней точки. Зависит же потенциальная энергия, согласно формуле, от высоты подъёма и массы, а кинетическая — прямо пропорциональна квадрату скорости и той же массе.

Электронные устройства

Электромагнитный резонанс используется в различных электронных устройствах, где есть цепи с так называемым колебательным контуром, состоящим из катушки индуктивности и конденсатора. Возникает он при определённой частоте, позволяя энергии магнитного поля индуктивного элемента превращаться в энергию электрического поля конденсатора и обратно.

Механизм такого явления заключается в том, что переменное магнитное поле катушки индуктивности создаёт электрический ток для зарядки конденсатора, а при обратном процессе, когда конденсатор разряжается, ток генерирует магнитное поле в катушке. Такой процесс может повторяться неограниченное количество раз, подобно механическому маятнику.

Оптика и акустика

Самым известным примером использование резонанса в оптическом диапазоне считается резонатор Фабри-Перо. Этот прибор, основу которого составляет пара зеркал, расположенных друг против друга, позволяет создавать при помощи резонанса стоячую световую волну.

При работе с акустическими приборами для увеличения громкости также не обходятся без резонанса. Практически все музыкальные инструменты в своих конструкциях содержат резонаторы. Это и трубка у флейты, и корпус у скрипки, гитары или барабана.

По сути, резонанс в физике представляет собой отклик колеблющейся системы на внешнее воздействие, который проявляется в увеличении максимального отклонения от положения равновесия. Такой отклик ещё принято называть частотно-избирательным, так как само явление возникает лишь при совпадении частот — воздействия внешней силы и собственных колебаний системы.