Резонанс — определение, условия и применение физического явления

Определение физического явления под названием резонанс даётся в старших классах школьного курса физики во время изучения колебаний. Однако суть и практическое применение явления, связанного с резким увеличением амплитуды колебаний при совпадении частот (собственной и внешнего воздействия), для многих остаётся загадкой. И чтобы разобраться в этом, нужно чётко уяснить понятие процесса колебаний, а также иметь представление о физических величинах, его характеризующих.

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

Колебания: частота и амплитуда

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

Появление резонанса неразрывно связано с колебаниями, то есть с процессом изменений состояния какой-нибудь системы, который повторяется во времени и происходит около определённой точки равновесия, периодически отклоняясь то в сторону со знаком «минус», то в противоположную — со знаком «плюс». При этом не важна природа самой колебательной системы и место её нахождения, а важно лишь наличие исходной точки состояния, к которой она возвращается через строго определённый промежуток времени. Это могут быть механические колебания, периодические изменения значения силы электрического тока в цепи, звук и так далее.

Основными характеристиками колебательной системы являются амплитуда (максимальное отклонение от положения равновесия) и частота (количество повторений движений системы за единицу времени). И эти величины играют главную роль как в описании самого явления, так и в условии резонанса.

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

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

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.

Если толчки производить не периодично или с частотой, сильно отличающейся от периодичности движений самой системы, то результат будет совершенно противоположным. Качели не увеличат амплитуду раскачиваний, наоборот, колебания системы будут затухать, что в результате приведёт к полной остановке в положении равновесия.

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.

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

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.

Резонансные явления в электрических колебательных контурах, как правило, используются в настроечных элементах либо в электрических фильтрах.

Оптика и акустика

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

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.

Характерные примеры

Хрестоматийным и очень ярким примером резонанса считается случай разрушения структуры моста при прохождении по нему роты солдат строевым шагом. Причиной такого эффекта стало совпадение частоты шага группы людей и собственной частоты колебаний сооружения, что привело к резкому увеличению амплитуды колебаний моста.

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

С разрушением мостовых конструкций связан и термин «Такомский мост». Но в этом случае причиной аварии стала не рота солдат, а порывы ветра. При расчётах проектантами не была учтена возможность резонанса, в который вошло полотно моста с порывами ветра определённой скорости. После происшествия специалисты провели многочисленные исследования и расчёты, которые впоследствии стали фундаментом современного мостостроения.

Ещё один пример проявления резонанса, с которым уже сталкиваются в быту — это принцип работы микроволновки. В результате генерации СВЧ-излучения с частотой 2.45 ГГц в молекулах воды, попадающих в зону воздействия, наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний, что приводит к увеличению температуры. Таким образом, благодаря совпадению частоты внешнего воздействия и собственной у молекул воды, происходит разогрев продуктов внутри микроволновой печи.

В полемике и риторике

Понятие резонанс встречается также и в общественных науках. И это слово обозначает отклик общества на определённые события, публичные высказывания или действия политиков, а также реакцию людей на происшествия глобальных масштабов.

Резонанс — определение, условия и применение физического явления

Философский словарь трактует это понятие как единомыслие двух личностей, то есть наличие одинаковой реакции на то или иное событие. Это может быть как синхронная антипатия, так и симпатия, сострадательное переживание или возмущение каким-то поступком.

В словаре иностранных слов можно найти объяснение резонансу как отклику, отголоску или впечатлению. В этом смысле слово употребляется для оценки произведений культуры:

  • спектаклей;
  • фильмов;
  • концертов;
  • книг.

Для показа эмоционального подъёма, единодушного порыва слово «резонанс» часто используется многими ораторами для подчёркивания значимости происходящего. В этом значении понятие приобретает смысл сильного отклика и одинаковой оценки.

С явлением резонанса люди сталкиваются каждый день, даже не задумываясь об этом. Но если в споре или при произношении речи с трибуны это слово можно использовать для усиления впечатления от сказанного, то с понятием резонанса как физического явления не всё так просто и безобидно. Резонанс может принести как пользу, так и вред. И о его возможном возникновении нужно всё-таки не забывать, когда захочется покачаться на подвесном пешеходном мостике или же поставить в микроволновку посуду из металла (правилами использования запрещается).

Беликова Ирина

Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

Оцените автора
Добавить комментарий

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector