Явище резонансу спостерігається в механічних коливальних системах, які піддаються дії ними сторонніх сил періодично. Ці сили передають коливальній системі певну енергію, яка перетворюється на енергію руху, тобто. система розгойдується і амплітуда коливань зростає і стає максимальною, коли зовнішня сила діє коливальну систему з такою самою частотою, яка частота коливань у самої системи – і є РЕЗОНАНС.

Висячі мости мають низку незаперечних переваг у порівнянні з конструкціями мостів інших типів. Проте вже давно було помічено, що висячі мости дуже ненадійні за сильного вітру. Однією з найбільших в історії мостобудування катастроф стало обвал мосту через річку Такома (США) 7 листопада 1940 року. Будівництво цього мосту було закінчено влітку 1940 року. Проліт, третій у світі за довжиною, мав довжину 854м. Великого руху не очікувалося і міст був збудований дуже вузьким – шириною 11,9м. Проїжджа частина була розрахована на 2 ряди автомобілів. Полотно дороги підвішено на двох сталевих канатах зі стрілою провісу 70,7м.
Відразу після спорудження було виявлено більшу чутливість моста до дії вітру, амплітуди (розмахи) коливань моста досягали 1,5 м. Було зроблено кілька спроб усунути ці великі коливання шляхом введення додаткових зв'язків та встановлення гідравлічних демпферів (амортизаторів) на пілонах; так називаються стовпи, що підтримують основні (несучі) троси у висячих мостах. Але це не запобігло катастрофі.
Починаючи з 8 години ранку 7 листопада спостерігалися не дуже сильні вертикальні багатовузлові (у формі декількох хвиль) згинальні коливання з частотою 0,8 Гц. Примітно, що вітер мав не дуже велику швидкість, близько 17 м/с, тоді як раніше були випадки, коли міст витримував сильніший вітер. Близько 10 години ранку швидкість вітру дещо зросла (до 18,7 м/с), і встановилися одновузлові (у формі однієї хвилі) згинально-крутильні коливання зі значно меншою частотою (0,2 Гц) і дуже великими амплітудами. Коли закрутка сягала максимуму, проїжджа частина нахилялася до горизонту під кутом 45°. Різка зміна частоти коливань відбулася, мабуть, внаслідок обриву якихось важливих зв'язків у конструкції. Міст витримував ці коливання близько години, після чого велика ділянка проїжджої частини полотна відламалася і впала у воду. Весь процес був знятий на кіноплівку, що стало цінним матеріалом для дослідження причин обвалення.
Катастрофа привернула велику увагу досліджень. Вже через два тижні після відомий механік Т. фон Карман дав пояснення причин катастрофи і навіть вказав швидкість вітру, при якій це може статися. Руйнування сталося за швидкості вітру близько 18 - 19 м/с, а Т.фон Карман розрахунком отримав 22,2 м/с. Тож навіть це можна назвати успіхом механіка.
Які висновки звідси зробили механіки? Нині через річку Такома збудовано інший міст. Його ширина збільшена більш ніж у 1,5 рази і становить 18 м, змінено так само перетин проїжджої частини. Крім того, суцільні балки замінено наскрізними фермами, що значно зменшує силу тиску вітру. Сучасні висячі мости - це легкі конструкції, підвішені на сталевих канатах, які називаються вантами. Вони витримують великі вітри та інші навантаження та нормально функціонує вже багато років. Відомо, що таких катастроф, яка була з Такомським мостом, тут не може статися. Механіки зуміли зрозуміти, що може статися і як це запобігти.
Резонанс може статися, коли велика маса, наприклад, солдат строєм, карбуючи крок, має перейти мостом, при цьому, звучить команда - відставити марш, люди переходять міст, як звичайні пішоходи... Верстати з частинами, що обертаються, встановлюють на масивні підстави-фундаменти щоб при розгойдуванні верстата (яке не уникнути) не сталося явище резонансу біля фундаменту і він не зруйнувався.
Явище резонансу – основа радіотелефонного зв'язку, телезв'язку.

Повсюдно та щодня нам у нашому житті супроводжують коливальні системи.
Перше враження у житті - це гойдалка. На цьому аж ніяк не найпростішому прикладі можна спостерігати і залежність періоду коливань від ваги того, хто гойдається, а також проблему синфазності руху гойдалок із зовнішньою силою, що розгойдує. Далі, йде знайомство з музичними інструментами, які так чи інакше використовують різного роду коливальні системи для отримання музичних звуків. Ну, і зрештою, вся електроніка, що повністю обіймає нас, основним і неодмінним вузлом якої є кварцовий резонатор - так би мовити, рафінована коливальна система.
І разом з тим, чи так багато ми розуміємо в цьому...
Найточніше визначення коливальної системи дав лорд Кельвін під час відкриття ним електричного L-C коливального контуру 1878-го року. Виявивши, що при ударному впливі на коливальний контур виникає синусоїдальний (гармонічний) загасаючий процес, Кельвін заявив, що це є доказом того, що має місце нова, невідома раніше коливальна система.
Таким чином, можемо сформулювати, що коливальною системою є пристрій, який має механізм перетворення ударного впливу на гармонійний загасаючий процес.
Але цікаво те, що це визначення ми можемо прикласти не до всіх відомих і застосовуваних коливальних систем. Це тому, що для цих пристроїв, які є безумовно коливальними системами (за визначенням Кельвіна), сам механізм перетворення удару в синусоїду далеко не завжди відомий.
Що стосується різного роду маятників, пружин і коливальних контурів, то механізми їх коливання вивчені та розглянуті. Проте існують коливальні системи, механізм яких невідомий, попри дуже широке застосування. Так, донедавна залишалося невідомим, як виконують роль коливальної системи, скажімо, кварцові резонатори.
Ефект кварцового резонатора було виявлено ще 1917 року, але визнати його незрозумілість чомусь посоромилися. В силу цієї сором'язливості було запропоновано модель кварцового резонатора у вигляді його еквівалента деякої сукупності кількох віртуальних конденсаторів та котушок індуктивності. Таке ось як би моделювання чомусь названо науковим описом кварцових резонаторів, це все називається теорією, і такого роду наукової та навчальної літератури існує мабуть-невидимо.
Зрозуміло, що жодних - ні віртуальних, ні реальних конденсаторів у кварцових резонаторах немає, і вся ця наукоподібна макулатура до цих резонаторів ніяк не відноситься. Справа в тому, що на практиці частота кварцового резонатора f 0 визначається товщиною кварцової пластини hі при виготовленні її користуються наступною емпіричною формулою:

f 0 = k/h, де (1)

k – технологічний коефіцієнт.
Так от, у всій існуючій літературі про кварцові резонатори ми не знайдемо ні згадки цього емпіричного співвідношення, ні взагалі будь-якої інформації про зв'язок власної частоти резонатора з розмірами пластини.
Через 60 років після відкриття властивостей кварцових пластин, у 1977 році, було виявлено, що резонаторами є не тільки кварцові пластини, а й об'єкти з переважної більшості твердих середовищ (метали та сплави, скло, кераміка, гірські породи). При цьому виявилося, що кількість своїх частот цих резонаторів дорівнює кількості їх розмірів. Так, суцільна куля, припустимо, зі скла, має всього один розмір - діаметр d, і, відповідно, одну власну частоту f 0 зв'язок між якими, як виявилося, визначається співвідношенням (1). Пластина, що має товщину hта розміри aі bмає три власні частоти, кожна з яких пов'язана з відповідним розміром співвідношенням (1).
Наявність резонансних властивостей перелічених вище об'єктів виявляється дуже легко, і навіть кількома способами. У шахтних умовах, у разі шаруватих порід, найбільш простий спосіб полягає в тому, що до об'єкта, що досліджується (до пород покрівлі) притискають датчик поля пружних коливань (сейсмоприймач), і наносять по поверхні покрівлі короткий удар. Реакція на удар буде виглядати як загасаючий гармонійний сигнал. У лабораторних умовах цей метод є неприйнятним, оскільки одержати необхідні параметри удару для невеликих зразків дуже непросто. У лабораторії виявилось простіше використовувати дослідження зразка за допомогою ультразвукових установок.
Як виявилося, резонансні властивості кварцового резонатора є чимось унікальним і залежить від наявності пьезоэффекта. Наявність п'єзоефекту лише спрощує індикацію і використання цієї властивості. Так, досліджуючи резонансні властивості п'єзокерамічного диска, його в процесі експерименту можна нагріти до температури, що перевищує точку Кюрі, коли п'єзоефект зникає, а резонансні властивості його ніяк не зміняться.
Однак якщо вченим, які вивчали кварцові резонатори, вдалося уникнути пошуку фізики їхніх резонансних властивостей, то мені довелося нею зайнятися впритул. Справа в тому, що, незважаючи на фактично існуючі резонансні прояви, виходячи із загальних міркувань, пластина з однорідного матеріалу не повинна проявляти резонансні властивості. У такій пластині повинен бути механізм перетворення ударного впливу в гармонійний сигнал.
Не можна сказати, що ця думка помилкова, тому що є матеріали, об'єкти з яких не є резонаторами. І справді, в такому матеріалі як плексиглас (оргскло) та деяких інших цей механізм відсутній. Об'єкти із плексигласу резонаторами не є. При ударному впливі на пластину з оргскла реакція має вигляд послідовності затухаючих коротких імпульсів. Тобто повністю відповідає положенням загальноприйнятої акустики твердих середовищ.
Разом з тим, як виявилося (1977 року), породні шари виявляють резонансні властивості, і за допомогою співвідношення (1) виявилося можливим без буріння (!) визначати будову породної товщі. Ну зрозуміло ж, що використовувати фізичний ефект при тому, що не важко довести неможливість його існування, дуже важко. Крім того, використання цього ефекту в шахтах дозволило створити методику прогнозування обвалення порід покрівлі – явища, що дає 50% травматизму шахтарів у всьому світі. А ось впроваджувати в практику методику, засновану на такому сумнівному фізичному ефекті було неможливо.
На пошуки відмінності плексигласу від матеріалів, об'єкти з яких є резонаторами, пішло 4 роки. І десь у 1981-му році було виявлено, що відмінність це є, і вона стосується акустичних властивостей прикордонних зон переважної більшості твердих середовищ.
Виявилося, що акустичні властивості приповерхневих зон середовищ, об'єкти з яких виявляють властивості резонаторів, такі, що швидкість поширення фронту V frпри нормальному прозвучуванні непостійна і зменшується з наближенням фронту до поверхні.
На рис.1 наведено випадок нормального прозвучування пластини-резонатора 1 завтовшки h. Залежність V fr (х), а також мінімальне та максимальне значення V frта величини зон Δ hотримані на підставі вимірювань, виконаних на безлічі пластин з одного і того ж матеріалу, але мають різні товщини. Середнє значення швидкості V fr.mid- це значення, яке виходить щодо швидкості на момент першого вступу.
При подібних дослідженнях пластин з оргскла швидкість V fr.midпри зміні товщини пластини hзалишається постійною, з чого можна зробити висновок про те, що в оргсклі (пластина-нерезонатор) зони Δ hвідсутні.
При випромінюванні диском-випромінювачем 1 гармонійного сигналу, на власній частоті прозвучуваної пластини-резонатора f 0, тобто, на резонансі, е.р.с. на диску-приймачі 3 зникає, але з'являється на диску-приймачі 4 . Цей ефект називається акустичним резонансним поглинанням (АРП).

Мал. 1

П'єзокерамічний диск-випромінювач 2 , прозвучувана пластина 1 та п'єзокерамічні диски-приймачі 3 і 4 знаходяться в рідині (вода або олія).
Таким чином, на резонансі відбувається переорієнтація первинного поля, випромінюваного п'єзоперетворювачем 1 , у ортогональному напрямку. Поворот поля в ортогональному напрямку відбувається за наявності приповерхневих зон Δ h.
Зв'язок між наявністю зон Δ hі поворотом поля у ортогональному напрямі досить проста. Справа в тому, що швидкість руху будь-якого об'єкта або швидкість поширення будь-якого процесу не може змінюватися без зовнішнього впливу. Тому насправді в зоні Δ hзмінюється не швидкість поширення фронту V fr, а її x -складова, що можливе лише за наявності виникнення y -Складовою. Інакше висловлюючись, вектор залишається постійним за величиною, але у зонах Δ hвідбувається поворот вектора V fr.
Тобто виходить, що при ударному впливі на шар-резонатор його поверхні стають випромінювачами його власної частоти. f 0, а при гармонійному випромінювачі шар-резонатор стає на резонансі звуконепрозорим. Але в обох випадках, за будь-якого впливу, вздовж шару-резонатора поширюється поле пружних коливань із частотою f 0 .
Акустична ізоляція шару-резонатора з його власної частоті від прилеглих щодо нього об'єктів використовувалася дуже давно. Так, помічено, що й прикласти вухо до землі, то кінноту чути на колосальних відстанях. Насправді це не кінноту чути, а власні коливання породного шару-резонатора, що збуджується кінськими копитами. Дуже слабке згасання поля, що розповсюджується вздовж шару-резонатора, якраз і є наслідком акустичної ізоляції його від прилеглих до нього порід.
При ударному впливі на породний масив при сейсморозвідувальних роботах поле пружних коливань, що виникає при цьому, поширюється вздовж напластування порід. Це суперечить основам сейсморозвідки, згідно з якими поле, що виникає в результаті удару, поширюється на всі боки.
Це дуже серйозний момент розуміння принципу дії сейсморозвідки. Виходить, що сигнали, одержувані на сейсмограмах, приходять не знизу, не з глибини, а збоку, оскільки поширюються виключно наплавлення ВДОЛИ.
При спектральному аналізі сейсмосигналів виявилося, що співвідношення (1) виконується за величиною коефіцієнта kу чисельнику, що дорівнює 2500м/с. У цьому похибка визначення товщини породного шару вбирається у 10%.
Слід гадати, що процес, зорієнтований у напрямі y при спрямованому випромінюванні у напрямку x , є поперечним. І, таким чином, можна стверджувати, що власний коливальний процес формується поперечними хвилями, а коефіцієнт kє не що інше, як швидкість поперечних хвиль V sh.
Виявлення по суті нових, невідомих раніше коливальних систем вимагає перебудови мислення. Коли свого часу було виявлено, що Земля - ​​куля, то усвідомлення цього, а також перехід від геоцентричної до геліоцентричної системи зажадали перебудови свідомості жителів Землі. Проте ця перебудова йшла кілька століть, оскільки особливої ​​зміни алгоритмів життєвих умов ця нова інформація не зажадала. Нині ситуація дещо інша.
У зв'язку з тим, що наша планета складається значною мірою з породних шарів, виходить, що в цілому вона є сукупністю коливальних систем. А це означає, що будь-яка дія на поверхню Землі повинна викликати реакцію у вигляді сукупності гармонійних процесів, що загасають. У випадку ж, якщо вібраційний вплив, то виявляються можливими резонансні явища.
При розгляді резонансних явищ виникає потреба в обліку характерного для коливальних систем параметра - добротності Q. У самому визначенні добротності прихована інформація про колосальні руйнівні можливості резонансу. Добротність Q показує, скільки разів збільшується амплітуда вібрації у разі резонансу.
Реальні значення Q для коливальних систем, що реалізуються залягають у земній товщі геологічними структурами, можуть досягати декількох сотень. І якщо в зоні такої високодобротної коливальної системи виявиться об'єкт, що надає на грунт вібраційний (динамічний) вплив, то саме в стільки разів збільшиться амплітуда вібрації цього об'єкта.
Однак зростання величини вібрації має певні обмеження. Ці обмеження визначаються тим, що з деякою амплітуді вібрації виникає перевищення пружних деформацій і настає руйнація. Зруйнуватися може ґрунт, на який виявляється вібраційний вплив, і це проявляється миттєвим, вибухоподібним просіданням, з утворенням вирви. При армуванні ґрунту різного роду залізобетонними конструкціями (наприклад, залізобетонна гребля ГЕС) можуть не витримати і порватися шпильки, на яких до греблі кріпиться генератор.
При невеликих значеннях Q (скажімо до 10) резонанс проявляється підвищеною вібрацією. Це неприємно для обслуговуючого персоналу, це призводить до утворення різного роду люфтів та дисбалансу працюючого механізму, але нищівної, миттєвої руйнації такий низькодобротний резонанс не викличе.
У випадку, якщо Q суттєво більше граничного значення, при якому амплітуда вібрації викликає неминуче руйнування, резонанс може існувати лише короткочасно. Так, припустимо, що з штатної частоті вібрації динамо-машини 50 Гц, безпосередньо під цією установкою залягає геологічна структура, має власну частоту, скажімо, 25 Гц при добротності Q=200. Тоді протягом усього терміну штатної експлуатації вібрація буде у межах норми. Однак припустимо, що машину з якоїсь причини потрібно зупинити, і тоді, в процесі зупинки, протягом якогось часу частота її обертання виявиться близькою до резонансної, до 25 Гц. У зоні резонансу розпочнеться плавне зростання амплітуди вібрації. І тут питання в тому, наскільки швидко частота обертання ротора пройде зону резонансу, і чи встигне амплітуда вібрації зрости до руйнівного значення.
Неважко зауважити, що тут як приклад було розглянуто ситуацію, яка склалася на Саяно-Шушенській ГЕС. Там вібрація гідроагрегатів у нормальному, робочому режимі зросла до неприйнятних значень. І коли було ухвалено рішення про зупинку, швидкість стали зменшувати дуже повільно. В результаті при проходженні зони високодобротного резонансу амплітуда вібрації встигла зрости настільки, що не витримали шпильки, що кріпили гідроагрегат. І, до речі, самописці гідроагрегату показали зростання вібрації у 600 разів.
Характерною ознакою провісником резонансного руйнування є зростання вібрації.
Перше достовірне свідоцтво про наявність такого провісника мало місце під час аварії на ЧАЕС. Адже там все почалося при зміні режиму реактора і, відповідно, швидкість обертання агрегатів. При цьому почалася вібрація, амплітуда якої почала швидко збільшуватися, досягла такого рівня, що люди в паніці почали залишати цю зону. Обірвалася вібрація сейсмопоштовхом (вибухоподібним руйнуванням ґрунту), відзначеним сейсмологами. І лише за півхвилини після цього сталася руйнація реактора.
Надалі з'являлася інформація про те, що цей провісник має місце при руйнуванні різного роду насосних станцій. Так само, при зміні частоти вібрації компресора раптом починається зростання амплітуди вібрації, що завершується провалом у ґрунт обладнання. Як причину такої події зазвичай називають або теракт, або неякісні палі, на яких стоїть станція.
Найчастіше мають місце залізничні аварії, коли без жодних видимих ​​причин потяг рветься на дві частини, коли раптом, раптово, вибухоподібно руйнується насип з утворенням поглиблення, і в цю вирву провалюються шпали, що миттєво зруйнувалися, і шматки рейок. Саме в цей момент руйнування колії рветься склад. Однак у вагоні, який виявляється останнім із тих, хто проскочив цю зону, має місце найсильніша вібрація, яка обривається миттєвим руйнуванням насипу.
13 серпня 2007 року в Новгородській області сталася така аварія з поїздом N166 Москва - Петербург. Пізніше очевидці описали те, що сталося: «...спочатку потяг почало трясти, після чого була бавовна. Провідники, які не один рік працюють на цьому маршруті, потім зізнавалися, що стали прощатися з життям, бо на їхню пам'ять таке сталося вперше».Ключовий момент – це те, що очевидці перед ударом відчули сильну вібрацію.
3 березня 2009 року в Кельні раптово обрушився шестиповерховий будинок архіву. Як повідомило агентство Reuters, перед обвалом спостерігався гуркіт і сильна вібрація. «Стіл, за яким я сидів, хитнувся, і я подумав, що хтось випадково зачепив його ногою, - сказав один із відвідувачів архіву. - Потім все почало тремтіти, як під час землетрусу». Будинок перетворився на купу цегли буквально за секунди. Представник поліції сказав журналістам, що «це було схоже на вибух»: цеглини, дошки та шматки цементу розлетілися тротуаром у радіусі до 70 метрів. Під будинком архіву проходить гілка метро, ​​тунель якої теж обвалився. Джерело вібрації, як виявилося, знаходилося у тунелі метро. Цим джерелом була бурова установка, що працювала там.
Докладно фізика резонансних руйнувань розглянута на роботах. Тут же необхідно поставити наступне питання. Є загальновідомим, що наростання амплітуди вібрації, що обривається вибухоподібним руйнуванням, однозначно пов'язане з резонансними явищами. То чому ми ніколи не чуємо слова «резонанс» при розслідуванні катастроф, які мали такий провісник? Причина виявилася суто психологічною. Згідно з укоріненою думкою, в земній товщі немає ніяких коливальних систем. А якщо немає коливальних систем, значить, не може бути мови про резонанс.
Якщо все ж таки припустити припущення про резонанс, то неминуче питання про коливальну систему. Тому що без коливальної системи не може бути резонансу.
Далі, якщо припустити, що земна товща справді є сукупністю коливальних систем, це підриває підвалини сейсморозвідки. Адже розгляд сейсморозвідки можливий лише в рамках її загальноприйнятої моделі, згідно з якою земна товща є сукупністю меж, що відбивають.
Не має значення, чи дає сейсморозвідка інформацію, чи ні, бо це колосальний, багатомільярдний бізнес, який чіпати не можна. Бізнес, побудований на фальсифікаціях, але такий величезний, що сейсморозвідка вже не потребує того, щоб її хтось підтверджував.
Зараз уже немає, напевно, функціонуючих вчених, хто б не знав, що є доведеним факт того, що наша планета - це сукупність коливальних систем. Але тепер у них головне завдання – зробити вигляд, що вони цього не знають. Будь-яке відкриття тією чи іншою мірою перекреслює попередній рівень знання. Так, дійсно, якби ця точка зору була освоєна та прийнята, кількість техногенних катастроф пішла б на спад. Але, на жаль, вченим це не потрібно. Для них головне – вціліти до кінця життя на досягнутому рівні, і щоб ніхто не перекреслював той рівень знання, на якому вони досягли своїх висот. І це, безумовно, за значимістю переважує для них усі ті катастрофи, які можна було б запобігти.

ЛІТЕРАТУРА

1. Глікман А.Г. Ефект акустичного резонансного поглинання (АРП) як основа нової парадигми теорії поля пружних коливань.
2. Свідоцтво провідників Північного Експресу www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html
3. Свідоцтво руйнування архіву в Кельні www.gazeta.ru/social/2009/03/04/2952320.shtml
4. Глікман А.Г. Вібрація та резонансні явища в нашому житті (що сталося на Саяно-Шушенській ГЕС)
5. Глікман А.Г. Планета Земля як сукупність коливальних систем та техногенні та природні землетруси як наслідки з цього

Перш ніж розпочати знайомство з явищами резонансу, слід вивчити фізичні терміни, пов'язані з ним. Їх не так багато, тому запам'ятати та зрозуміти їхній зміст буде нескладно. Отже, все по порядку.

Що таке амплітуда та частота руху?

Уявіть звичайне подвір'я, де на гойдалці сидить дитина і махає ніжками, щоб розхитатися. У момент, коли йому вдається розкачати гойдалку і вони досягають з одного боку до іншого, можна підрахувати амплітуду та частоту руху.

Амплітуда – це найбільша довжина відхилення від точки, де тіло знаходилося в положенні рівноваги. Якщо брати наш приклад гойдалок, то амплітудою можна вважати найвищу точку, до якої розхиталася дитина.

А частота – це кількість коливань чи коливальних рухів за одиницю часу. Вимірюється частота у Герцах (1 Гц = 1 коливання за секунду). Повернемося до наших гойдалок: якщо дитина проходить за 1 секунду тільки половину всієї довжини гойдання, то її частота дорівнюватиме 0,5 Гц.

Як частота пов'язана із явищем резонансу?

Ми вже з'ясували, що частота характеризує кількість коливань предмета за одну секунду. Уявіть тепер, що дитині, що слабо гойдається, доросла людина допомагає розгойдатися, щоразу підштовхуючи гойдалки. При цьому дані поштовхи також мають свою частоту, яка посилюватиме або зменшуватиме амплітуду гойдання системи "гойдалка-дитина".

Припустимо, дорослий штовхає гойдалки в той час, коли вони рухаються назустріч до нього, в такому разі частота не збільшуватиме амлітуду руху. Тобто стороння сила (в даному випадку поштовхи) не сприятиме посиленню коливання системи.

Якщо частота, з якою дорослий розгойдує дитину, буде чисельно дорівнює самій частоті коливання гойдалок, може виникнути резонанс. Іншими словами, приклад резонансу - це збіг частоти самої системи із частотою вимушених коливань. Логічно уявити, що частота та резонанс взаємопов'язані.

Де можна спостерігати приклад резонансу?

Важливо розуміти, що приклади вияву резонансу зустрічаються практично у всіх сферах фізики, починаючи від звукових хвиль та закінчуючи електрикою. Сенс резонансу у тому, що коли частота змушує сили дорівнює своїй частоті системи, то цей момент досягає найвищого значення.

Наступний приклад резонансу дасть розуміння суті. Припустимо, ви крокуєте тонкою дошкою, перекинутою через річку. Коли частота ваших кроків збігається з частотою або періодом усієї системи (дошка-людина), то дошка починає сильно вагатися (хилитися вниз і вгору). Якщо ви продовжите рухатися такими ж кроками, то резонанс викличе сильну амплітуду коливання дошки, яка виходить за межі допустимого значення системи і це призведе до неминучої поломки містка.

Існують також сфери фізики, де можна використовувати таке явище, як корисний резонанс. Приклади можуть здивувати вас, адже ми використовуємо його інтуїтивно, навіть не здогадуючись про наукову сторону питання. Так, наприклад, ми використовуємо резонанс, коли намагаємось витягнути машину з ями. Згадайте, адже найлегше досягти результату лише тоді, коли штовхаєш машину в момент її руху вперед. Цей приклад резонансу посилює амплітуду руху, тим самим допомагаючи витягти машину.

Приклади шкідливого резонансу

Складно сказати, який резонанс у нашому житті зустрічається більше: хороший або шкода, що завдає нам. Історії відомо чимало жахливих наслідків явища резонансу. Ось найвідоміші події, на яких можна спостерігати приклад резонансу.

1. У Франції, у місті Анжера, 1750 року загін солдатів йшов у ногу через ланцюговий міст. Коли частота їхніх кроків збіглася з частотою моста, розмахи коливань (амплітуда) різко збільшилися. Настав резонанс, і ланцюги обірвалися, а міст упав у річку.
2. Траплялися випадки, коли в селах будинок був зруйнований через вантажний автомобіль, що проїжджав головною дорогою.

Як бачите, резонанс може мати небезпечні наслідки, ось чому інженерам слід ретельно вивчати властивості будівельних об'єктів і правильно обчислювати їх частоти коливань.

Корисний резонанс

Резонанс не обмежується лише плачевними наслідками. При уважному вивченні навколишнього світу можна спостерігати безліч добрих та вигідних для людини результатів резонансу. Ось один яскравий приклад резонансу, що дозволяє отримувати людям естетичне задоволення.

Пристрій багатьох музичних інструментів працює за принципом резонансу. Візьмемо скрипку: корпус та струна утворюють єдину коливальну систему, усередині якої є штифт. Саме через нього передаються частоти коливань із верхньої деки до нижньої. Коли лют'єр водить смичком по струні, то остання, подібно до стріли, перемагає своєю тертям каніфольної поверхні і летить у зворотний бік (починає рух у протилежну область). Виникає резонанс, який передається у корпус. А всередині його є спеціальні отвори – ефи, крізь які резонанс виводиться назовні. Саме таким чином він контролюється у багатьох струнних інструментах (гітара, арфа, віолончель та ін.).

Міст Такома-Нерроуз (Такомський міст) відноситься до розряду мостових споруд, що висять. Знаходиться в Вашингтоні, Сполучені Штати Америки. Прокладено через Такома-Нервузьку протоку, яка, у свою чергу, є частиною затоки Пьюджет-Сауд.

Історія створення

Спочатку будувався за проектом Леона-Соломона Мойсеєва, вихідця із Росії. Він відомий як інженер-конструктор, будівельник мостів, активний учасник життя. Такомський міст відкрили для пересування у липні 1940 року. Вже під час його зведення будівельники звернули увагу на коливання та розгойдування полотна дороги моста під час посилення вітру. Це було зумовлено недостатньо високою балкою жорсткості. У побуті міст став називатися «Голопуючою Герті».

Характеристики мосту

На час побудови Такомського мосту він був чудовою спорудою. Це була висяча (вантова) трипрогонова конструкція. Загальна довжина її складала 1810 метрів. А довжина центрального підвішеного прольоту – 854 метри. Завширшки міст був близько 12 метрів. Основні несучі троси діаметром становили 438 міліметрів. Балка жорсткості досягала заввишки 2,44 метра, що було визнано в подальшому прорахунком. Конструкцію мосту тримали сталеві пілони, що стояли на бетонних опорах (биках).

Крах

7 листопада 1940 року, коли період експлуатації становив лише чотири місяці, сталася руйнація Такомського мосту. У цей день швидкість вітру сягнула 65 км/год. Зважаючи на те, що у цей день рух на мосту був мінімальним, це дозволило уникнути людських жертв.

Сам факт руйнування у динаміці був зображений на кіноплівку. Це дозволило надалі ретельно вивчити та досліджувати цей процес. Кінохроніка та фото мосту Такома-Нерроуз у процесі його руйнування справді дуже вражаючі.

На підставі кіноплівки був створений документальний фільм The Tacoma Narrows Bridge Collapse, що отримав всесвітню популярність.

Причини руйнування

За результатами досліджень, вивчення документальних матеріалів встановлено, що основним фактором, що призвів до аварії, стали спричинені сильним вітром помірні динамічні крутильні коливання. З'ясовано, що проект Такомського мосту розраховували та проектували з урахуванням лише статистичних та вітрових навантажень. Однак можливий вплив на його конструкцію аеродинамічних факторів не вивчався.

Коливання полотна мосту виникло через воно стало посилюватися внаслідок вертикального коливання тросів. Ослаблення троса з одного боку мосту і напруга з іншого породили крутильні явища, призвели до нахилу пілонів і, як наслідок, обриву підвісок центрального прольоту. Міст виявився конструктивно зайво гнучким, що має невелику опірність до поглинання динамічних сил.

Кінозйомка зафіксувала, що міст почав розгойдуватися тоді, коли швидкість вітру становила близько 19 метрів за секунду. Хоча у проекті стійкість його до вітрів розраховувалася, виходячи з 50 метрів за секунду.

Висновки

Руйнування Такомського мосту змусило конструкторів-мостобудівників (і не тільки) розпочати дослідження в галузі аеродинаміки, аеродинамічної стійкості конструкцій та споруд. Це призвело до зміни поглядів на проектування мостів із великими прольотами.

Теоретично причиною стали позначати явище вимушеного механічного резонансу. Однак у практиці вважається, що до неї привів т.з. аеропружний флаттер (крутильні коливання) внаслідок недостатніх розрахунків за вітровими навантаженнями ще на стадії проектування.

Новий міст

Розбір споруди, що звалилася, почали відразу ж після аварії. Було здійснено демонтаж пілонів та бічних прольотів. Цей процес тривав до 1943 року, коли почали зводити новий міст. Від старої споруди застосування знайшли основи пілонів, анкерні традиції, деякі інші частини. Відтворений міст увели в експлуатацію в жовтні 1950 року. Він став на той період третім у світі висячим мостом (виходячи з довжини 1822 метри).

З метою надання і зниження навантажень аеродинамічного характеру у його елементи ввели ферми відкритого типу. Встановили додаткові стійки твердості. Він обладнаний деформаційними швами та системами гасіння вібрацій. Міст міг пропускати до 60 тисяч автомобілів за добу.

У 2007 році паралельно чинному було збудовано ще один міст. Мета будівництва - збільшення пропускної спроможності шосе. Довжина його становить 1645,9 м, а ширина – 853,4 м. Висота пілонів – 155,4 метра.

Ми часто чуємо слово резонанс: «суспільний резонанс», «подія, що викликала резонанс», «резонансна частота». Цілком звичні та звичайні фрази. Але чи можете точно сказати, що таке резонанс?

Якщо відповідь відскочила у вас від зубів, ми по-справжньому пишаємося! Ну а якщо тема «резонанс у фізиці» викликає питання, то радимо прочитати нашу статтю, де ми докладно, зрозуміло та коротко розповімо про таке явище як резонанс.

Перш ніж говорити про резонанс, потрібно розібратися з тим, що таке коливання та їх частота.

Коливання та частота

Коливання – процес зміни станів системи, що повторюється у часі і відбувається навколо точки рівноваги.

Найпростіший приклад коливань – катання на гойдалках. Ми наводимо його не дарма, цей приклад ще стане нам у нагоді для розуміння суті явища резонансу надалі.

Резонанс може наступити лише там, де є вагання. І не важливо, які це коливання - коливання електричної напруги, звукові коливання або просто механічні коливання.

На малюнку нижче опишемо, якими можуть бути коливання.

До речі! Для наших читачів зараз діє знижка 10% на будь-який вид роботи

Коливання характеризуються амплітудою та частотою. Для згаданих вище гойдалок амплітуда коливань - це максимальна висота, яку злітають гойдалки. Також ми можемо розгойдувати гойдалку повільно чи швидко. Залежно від цього змінюватиметься частота коливань.

Частота коливань (вимірюється у Герцах) – це кількість коливань в одиницю часу. 1 Герц – це одне коливання за одну секунду.

Коли ми розгойдуємо гойдалку, періодично розгойдуючи систему з певною силою (в даному випадку гойдалка – це коливальна система), вона робить вимушені коливання. Збільшення амплітуди коливань можна досягти, якщо впливати на цю систему певним чином.

Штурхаючи гойдалки в певний момент і з певною періодичністю можна досить сильно розкачати їх, докладаючи зовсім небагато зусиль.

Суть явища резонансу

Резонанс у фізиці – це частотно-виборчий відгук коливальної системи на періодичний зовнішній вплив, який проявляється у різкому збільшенні амплітуди стаціонарних коливань при збігу частоти зовнішнього впливу з певними значеннями, характерними для даної системи.

Суть явища резонансу у фізиці у тому, що амплітуда коливань різко зростає при збігу частоти на систему зі своєю частотою системи.

Приклади резонансу

Явище резонансу спостерігається в різних фізичних процесах. Наприклад, звуковий резонанс. Візьмемо гітару. Саме собою звучання струн гітари буде тихим і майже нечутним. Проте струни недарма встановлюють над корпусом – резонатором. Потрапивши всередину корпусу, звук від коливань струни посилюється, а той, хто тримає гітару, може відчути, як вона починає трохи трястись, вібрувати від ударів по струнах. Інакше кажучи, резонувати.

Ще один приклад спостереження резонансу, з яким ми стикаємося – кола на воді. Якщо кинути у воду два камені, попутні хвилі від них зустрінуться та збільшаться.

Дія мікрохвильової печі також засноване на резонансі. У разі резонанс відбувається у молекулах води, які поглинають випромінювання НВЧ (2,450 ГГц). Як наслідок, молекули входять у резонанс, коливаються сильніше, а температура їжі підвищується.

Резонанс може бути як корисним, так і явищем, що приносить шкоду. А прочитання статті, як і допомога нашого студентського сервісу у важких навчальних ситуаціях, принесе вам лише користь. Якщо в ході виконання курсової вам знадобиться розібратися з фізикою магнітного резонансу, можете сміливо звертатися до нашої компанії за швидкою та кваліфікованою допомогою.

Насамкінець пропонуємо подивитися відео на тему «резонанс» і переконатися в тому, що наука може бути цікавою та цікавою. Наш сервіс допоможе з будь-якою роботою: від реферату "Мережа інтернет та кіберзлочинність" до курсової з фізики коливань або есе з літератури.