Doğada ses rezonansı. Rezonans fiziksel bir olgudur

MBOU Lokot ortaokulu No. 1 adını almıştır. P.A.Markova

Araştırma konusu:

"Doğada ve teknolojide rezonans"

Tamamlanmış:

10. sınıf öğrencisi

Kostyukov Sergey

Bilim danışmanı:

Fizik öğretmeni

Golovneva Irina

Aleksandrovna

"Bilime Başlayın"

Dirsek 2013

Rezonans nedir?

Rezonansın zararları ve yararları.

Rezonans örnekleri.

Keşif tarihi.

Elektriksel rezonans.

Başvuru elektriksel rezonans.

Mekanikte, elektrik mühendisliğinde, mikrodalgada rezonans,

akustik, optik ve astrofizik.

Projenin amacı rezonans olgusunun incelenmesidir.

Projenin alaka düzeyi.

Rezonans olgusu, elektrik mühendisliğinin hemen hemen tüm uygulamalı dalları için büyük önem taşımaktadır ve radyo mühendisliği, uygulamalı akustik, elektrik mühendisliği, elektronik ve diğer endüstrilerde çok aktif olarak kullanılmaktadır.

Hedefe ulaşmak için aşağıdaki görevler belirlendi:

Analiz et özel edebiyat Bu konuda.

Rezonansın tarihini inceleyin.

Rezonans olgusunun özünü ortaya çıkarın.

Rezonans olgusunun teknolojinin çeşitli dallarında kullanımını gösterin.

Teorik kısım.

Rezonans- dış etkinin frekansı belirli değerlere (rezonans frekansları) yaklaştığında ortaya çıkan, zorla salınımların genliğinde keskin bir artış olgusu,

sistemin özelliklerine göre belirlenir.

Genlikteki bir artış yalnızca rezonansın bir sonucudur ve bunun nedeni, dış (uyarıcı) frekansın salınım sisteminin iç (doğal) frekansı ile çakışmasıdır.

Rezonans olgusunu kullanarak çok zayıf periyodik salınımlar bile izole edilebilir ve güçlendirilebilir.

Rezonans, itici gücün belirli bir frekansında salınım sisteminin bu kuvvetin hareketine özellikle duyarlı olduğu ortaya çıkan olgudur. Salınım teorisindeki yanıt verme derecesi, kalite faktörü adı verilen bir miktarla tanımlanır.

Kullanımı:

Süt tozunun suda çözülmesi.

Müzik aletlerinde rezonatörler.

Vücudun manyetik rezonans muayenesi.

Sallanan salıncak.

Zil dilinin sallanması.

Rezonans kilitleri ve anahtarları.

Zarar:

Yapıların tahrip edilmesi.

Kırık teller.

Bir kovadan su sıçratıyor.

Ray bağlantı noktalarında arabanın sallanması.

Boru hatlarında titreşimler.

Yükün vinçte sallanması.

Üzerinde yürüyüş sonucu köprünün yıkılması.

Bir tren ray bağlantıları boyunca geçtiğinde köprünün periyodik şokların etkisi altında rezonansı.

Son zamanlarda ortaya çıkan bazı koşullar, kaya patlamalarının doğal depremlerin laboratuvar modeli olarak algılanmasını mümkün kılmıştır. Yani şunu varsayalım doğal depremler rezonans kökenlidir.

Tüm gemilerin belirli pervane şaftı hızlarında rezonansa girdiği bilinen durumlar vardır.

Rezonans olgusu ilk kez 1602 yılında Galileo Galilei tarafından sarkaç ve müzik tellerinin incelenmesine yönelik çalışmalarda tanımlanmıştır.

Elektriksel rezonans olgusunun teknolojide uygulanması.

Frekans ω ise dış güç doğal frekans ω0'a yaklaşır, a keskin artış Zorunlu salınımların genlikleri. Bu olaya rezonans denir. Zorunlu salınımların xm genliğinin, itici kuvvetin frekansı ω'ya bağımlılığına rezonans karakteristiği veya rezonans eğrisi denir (Şekil 2).

Rezonansta, yükün titreşim genliği xm, yayın serbest (sol) ucunun dış etkiden kaynaklanan titreşiminin genliğinden ym birçok kez daha büyük olabilir. Sürtünmenin yokluğunda, rezonans sırasındaki zorlanmış salınımların genliği sınırsız olarak artmalıdır. İÇİNDE gerçek koşullar kararlı durum zorlamalı salınımların genliği şu koşula göre belirlenir: salınım süresi boyunca dış kuvvetin işi, aynı zamanda sürtünme nedeniyle mekanik enerji kaybına eşit olmalıdır. Sürtünme ne kadar düşük olursa (yani salınım sisteminin kalite faktörü Q ne kadar yüksek olursa), rezonansta zorlanmış salınımların genliği de o kadar büyük olur.

Kalite faktörü çok yüksek olmayan salınımlı sistemlerde (

Rezonans olgusu, salınımlarının doğal frekansları periyodik olarak frekansla çakışırsa köprülerin, binaların ve diğer yapıların tahrip olmasına neden olabilir etkili kuvvetörneğin dengesiz bir motorun dönmesi nedeniyle ortaya çıkan.

Şekil 2.

Rezonans eğrileri çeşitli seviyeler sönümleme: 1 – sürtünmesiz salınım sistemi; rezonansta, zorlanmış salınımların genliği xm süresiz olarak artar; 2, 3, 4 – farklı kalite faktörlerine sahip salınımlı sistemler için gerçek rezonans eğrileri: Q2 Q3 Q4. Düşük frekanslarda (ω ω0) xm → 0.

Elektriksel rezonans.

Frekans çakıştığında akım salınımlarının genliğini arttırma olgusu dış kaynak doğal frekanslı elektrik devresi elektriksel rezonans denir.

Elektriksel rezonans oyunları olgusu faydalı rol Radyo alıcısını istediğiniz radyo istasyonuna ayarlarken endüktans ve kapasitans değerlerini değiştirerek doğal frekansın olmasını sağlayabilirsiniz. salınım devresi frekansla çakışacak elektromanyetik dalgalar, herhangi bir radyo istasyonu tarafından yayılır. Sonuç olarak devrede rezonans yapan küçük noktalar görünecektir. Bu, radyonun istenen istasyona ayarlanmasına yol açar.

Elektriksel rezonansın bir diğer özelliği de aktif motorlarda kullanılması olasılığıdır. kalıcı mıknatıslar. Kontrol elektromıknatısı periyodik olarak polariteyi değiştirdiğinden, yani. yiyor alternatif akım, elektromıknatıslar kapasitanslı bir salınım devresine dahil edilebilir.

Elektromıknatısların bağlantısı seri, paralel veya birleşik olabilir ve kapasitans, motorun çalışma frekansındaki rezonansa göre seçilirken, elektromıknatıslardan geçen akımın ortalama değeri büyük olacak ve harici akım kaynağı esas olarak telafi edecektir. Aktif kayıplar için. Görünüşe göre, bu çalışma modu verimlilik açısından en çekici olacak ve bu durumda motora manyetik rezonans step motoru adı verilecek.

Mekanik.

Çoğu insanın en aşina olduğu mekanik rezonans sistemi düzenli bir salınımdır. Salınımı rezonans frekansına göre iterseniz hareket aralığı artacak, aksi takdirde hareket sönecektir.

Rezonans olayı çeşitli mekanik sistemlerde geri dönüşü olmayan hasarlara neden olabilir. Mekanik rezonatörlerin çalışması potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüştürülmesine dayanır.

Sicim.

Lavta, gitar, keman veya piyano gibi enstrümanların telleri, telin uzunluğu, kütlesi ve gerilimi ile doğrudan ilişkili olan temel bir rezonans frekansına sahiptir. İpin gerginliğini arttırmak, kütlesini (kalınlığını) ve uzunluğunu azaltmak rezonans frekansını arttırır. Ancak frekanslar müzik notaları olarak algılanan harmonik titreşimler değildir.

Elektronik.

Elektronik cihazlarda, sistem tepkisinin endüktif ve kapasitif bileşenleri dengelendiğinde belirli bir frekansta rezonans meydana gelir ve bu, enerjinin endüktif elemanın manyetik alanı ile kapasitörün elektrik alanı arasında dolaşmasına izin verir.

Rezonans mekanizması, endüktansın manyetik alanının oluşmasıdır. elektrik kondansatörün şarj edilmesi ve kondansatörün boşaltılması manyetik bir alan oluşturur.

mekanik bir sarkaca benzetilerek birçok kez tekrarlanır.

Mikrodalga elektroniklerinde, yüksek kaliteli salınımların mümkün olduğu, boyutları dalga boyu sırasına göre olan silindirik veya toroidal geometriye sahip hacimsel rezonatörler yaygın olarak kullanılmaktadır. elektro manyetik alan belirlenen ayrı frekanslarda sınır şartları.

Optik.

Optik aralıkta en yaygın rezonatör türü Fabry-Perot rezonatörüdür.

aralarında rezonansta duran bir dalganın oluşturulduğu bir çift ayna. Fabry-Perot tipi optik rezonatör türleri:

1. Düz - paralel;

2. Konsantrik (küresel);

3. Yarım küre;

4. Konfokal;

5. Dışbükey-içbükey.

Akustik.

Rezonans olgusu herhangi bir frekanstaki mekanik titreşimlerde, özellikle ses titreşimlerinde gözlemlenebilir. Aşağıdaki deneyde ses veya akustik rezonansın bir örneğini görüyoruz.

İki özdeş diyapazonu yan yana yerleştirip, monte edildikleri kutuların deliklerini birbirine doğru çevirelim (Şek. 40). Diyapazonların sesini yükselttikleri için kutulara ihtiyaç vardır. Bu, diyapazon ile kutunun içindeki hava sütunu arasındaki rezonans nedeniyle meydana gelir; dolayısıyla kutulara rezonatörler veya rezonans kutuları denir. Aşağıda ses dalgalarının havadaki yayılımını incelerken bu kutuların çalışmasını daha detaylı anlatacağız. Şimdi analiz edeceğimiz deneyde kutuların rolü tamamen yardımcıdır.

Pirinç. 40. Diyapazonların rezonansı

Diyapazonlardan birine vuralım ve ardından parmaklarımızla boğalım. İkinci diyapazonun nasıl ses çıkardığını duyacağız.

İki farklı diyapazonu ele alalım; farklı yükseklikler tonunu seçin ve deneyi tekrarlayın. Artık diyapazonların her biri artık başka bir diyapazonun sesine yanıt vermeyecektir.

Bu sonucu açıklamak zor değil. Bir diyapazonun (1) titreşimleri, ikinci diyapazon (2) üzerinde bir miktar kuvvetle hava yoluyla etki ederek, onun zorlanmış salınımlar yapmasına neden olur. Diyapazon 1 harmonik bir salınım gerçekleştirdiğinden, diyapazon 2'ye etki eden kuvvet, akort çatalı 1'in frekansı ile harmonik salınım yasasına göre değişecektir. Eğer kuvvetin frekansı diyapozon 2'nin doğal frekansı ile aynıysa ardından rezonans oluşur - diyapazon 2 güçlü bir şekilde sallanır. Eğer kuvvetin frekansı farklıysa, diyapazon 2'nin zorlanmış titreşimleri o kadar zayıf olacaktır ki onları duymayacağız.

Diyapazonların zayıflaması çok az olduğundan rezonansları keskindir (§ 14). Bu nedenle diyapazonların frekansları arasındaki küçük bir fark bile birinin diğerinin titreşimlerine tepki vermemesine neden olur. Örneğin, iki özdeş diyapazondan birinin bacaklarına hamuru veya balmumu parçalarını yapıştırmak yeterlidir ve diyapozonların ayarı zaten bozuk olacak, rezonans olmayacak.

Zorunlu salınımlar sırasındaki tüm olayların, yay üzerindeki yükün zorlanmış salınımları ile yapılan deneylerde olduğu gibi diyapazonlarda da meydana geldiğini görüyoruz (§ 12).

Ses bir nota ise ( periyodik salınım), ancak bir ton (harmonik titreşim) değilse, bu, bildiğimiz gibi, tonların toplamından oluştuğu anlamına gelir: en düşük (temel) ve üst tonlar. Diyapazonun frekansı sesin herhangi bir harmoniğinin frekansıyla çakıştığında diyapazon böyle bir sese rezonansa girmelidir. Deney, basitleştirilmiş bir siren ve diyapazon ile diyapazonun rezonatör deliğinin aralıklı bir hava akımına karşı yerleştirilmesiyle gerçekleştirilebilir. Diyapazonun frekansı eşitse, o zaman, görülebileceği gibi, sirenin sesine yalnızca saniyede 300 kesintiyle değil (sirenin ana tonuna rezonans), aynı zamanda 150'de de yanıt verecektir. kesintiler - sirenin ilk armonik tonundaki rezonans ve 100 kesintide - ikinci armonik tondaki rezonans, vb.

Bir dizi sarkaçla yapılan deneye benzer bir deneyi ses titreşimleriyle yeniden üretmek zor değildir (§ 16). Bunu yapmak için yalnızca bir dizi ses rezonatörüne sahip olmanız gerekir - akort çatalları, teller, org boruları. Açıkçası, bir kuyruklu piyanonun veya piyanonun telleri, farklı doğal frekanslara sahip çok kapsamlı bir salınım sistemi seti oluşturur. Piyanoyu açıp pedala basarak tellerin üzerinden yüksek sesle bir nota söylersek, enstrümanın aynı perdede ve benzer tınıda bir sesle nasıl tepki verdiğini duyacağız. Ve burada sesimiz havada tüm tellere etki eden periyodik bir kuvvet yaratıyor. Ancak yalnızca harmonik titreşimlerle (söylediğimiz notayı oluşturan temel ve üst tonlar) rezonans içinde olanlar yanıt verir.

Bu nedenle akustik rezonans deneyleri Fourier teoreminin geçerliliğinin mükemmel örnekleri olarak hizmet edebilir.

Rezonans, çoğu rezonatör içeren, örneğin kemanın telleri ve gövdesi, flütün tüpü ve davulun gövdesi gibi ses cihazlarının tasarımında kullanılan en önemli fiziksel süreçlerden biridir.

İç organların ve infrasonun titreşim frekanslarının çakışması nedeniyle rezonans gerektiren yüksek yoğunluklu infrases, neredeyse tüm iç organların işleyişinin bozulmasına yol açar, bu mümkündür ölümcül sonuç kalp durması veya kan damarlarının yırtılması nedeniyle. Oluşmasını önlemek için özel önlemler alınmalıdır. ses titreşimleri aşağıdaki frekanslarla, çünkü frekansların çakışması rezonansa yol açar:

İnsan vücudunun bazı bölümlerinin doğal (rezonans) frekansları

20-30 Hz.
kafa rezonansı
40-100 Hz.
göz rezonansı
0.5-13 Hz.
vestibüler aparatın rezonansı
4-6 Hz.
kalp rezonansı
2-3 Hz.
mide rezonansı
2-4 Hz.
bağırsak rezonansı
6-8 Hz.
böbrek rezonansı
2-5 Hz.
el rezonansı
5-7 Hz.
korku ve panik duygularına neden olur

Astrofizik.

Yörünge rezonansı gök mekaniği iki (veya daha fazla) gök cisminin küçük doğal sayılar olarak ilişkili yörünge periyotlarına sahip olması durumudur. Sonuç olarak bunlar gök cisimleri düzenli yer çekimi uygulamak

Yörüngelerini stabilize edebilecek birbirleri üzerindeki etki.

Kamuoyunun tepkisi.

Toplumsal rezonans, bir kişinin veya bir şeyin belirli eylemlerine (bilgi, davranış, açıklama vb.) birçok insanın (öfke, heyecan, tepkiler vb.) verdiği tepkidir. Fonların çekilmesiyle yapay olarak kamusal rezonans yaratılabilir kitle iletişim araçlarıŞu ya da bu sosyal ya da duruma kamunun dikkati siyasi olay.

Ayrıca kamuoyunun tepkisi bazı gruplar tarafından yargıya, yürütme ve yasama organlarına, hükümete baskı yapmak için kullanılıyor. kamu kuruluşları Ve siyasi partiler.

Çözüm.

Projenin oluşturulması sonucunda rezonans olgusunu incelemeye yönelik birçok araştırma yaptım: bilimsel literatürle çalışmak, videolar izlemek, 10. sınıf öğrencileriyle anket yapmak, rezonans olgusunu keşfettim. insanlar için çok önemli bir fiziksel olgudur ve bilim ve teknolojinin birçok dalında kullanılmaktadır. Ancak faydalarının yanı sıra rezonans zarar da verebilir.

Proje şu şekilde kullanılabilir: ek malzeme 9 ve 11. sınıflarda “Rezonans” konusunu çalışırken.

Kullanılan literatürün listesi:

tr.wikipedia.org

mirslovarei.com - kamusal rezonans nedir (Siyasi Sözlük'ten materyal)

4. M. Titreşim teorisinde uygulamalı yöntemler. - M.: Nauka, 1988.

5. Evrensel referans kitabı, S.Yu. Kurganov, N.A. Gyrdymova - M .: Eksmo, 2011.

Bir grup askerin köprüyü geçerken yürümeyi bırakması gerektiğini duydunuz mu? Daha önce adım adım yürüyen askerler bunu yapmayı bırakıp serbest adımlarla yürümeye başlarlar.

Böyle bir emir komutanlar tarafından askerlere yerel güzellikleri hayranlıkla izleme fırsatı vermek amacıyla verilmemektedir. Bu, askerlerin köprüyü tahrip etmesini önlemek için yapılır. Buradaki bağlantı nedir? Çok basit. Bunu anlamak için rezonans olgusuna aşina olmanız gerekir.

Rezonans olgusu nedir: titreşim frekansı

Rezonansın ne olduğunu daha iyi anlamak için, asılı bir salıncağa binmek gibi basit ve keyifli bir eğlenceyi hatırlayın. Bir kişi üzerlerine oturur ve ikincisi onları sallar.

Ve çok az güç uygulayarak bir çocuk bile bir yetişkini çok güçlü bir şekilde sallayabilir. Bunu nasıl başarıyor? Sallanmanın frekansı, sallananın frekansı ile çakışır, rezonans oluşur ve sallanmanın genliği büyük ölçüde artar. Bunun gibi bir şey. Ama önce ilk şeyler.

Salınım frekansı Bu, bir saniyedeki titreşim sayısıdır. Zaman cinsinden değil, hertz (1 Hz) cinsinden ölçülür. Yani 50 hertzlik bir salınım frekansı, vücudun saniyede 50 salınım yapması anlamına gelir.

Zorunlu salınım durumunda, her zaman kendi kendine salınan (veya bizim durumumuzda sallanan) bir gövde ve bir itici güç vardır. Yani bu dış kuvvet vücuda belli bir frekansla etki eder.

Ve eğer frekansı vücudun kendisinin salınım frekansından çok farklıysa, o zaman dış kuvvet vücudun salınmasına zayıf bir şekilde yardımcı olacak veya bilimsel olarak konuşursak, salınımlarını zayıf bir şekilde artıracaktır.

Örneğin salıncakta size doğru uçan bir insanı iterek sallamaya kalkarsanız ellerinizi kırıp kişiyi üzerinden atabilirsiniz ama onu çok fazla sallamanız pek mümkün değildir.

Ancak onu hareket yönünde iterek sallarsanız, sonuca ulaşmak için çok az çabaya ihtiyacınız olur. Budur frekans çakışması veya titreşim rezonansı. Aynı zamanda genlikleri de büyük ölçüde artar.

Rezonans salınımlarına örnekler: yararları ve zararları

Aynı şekilde, salıncağın başka bir versiyonunu bir stand üzerinde tahta şeklinde sürerken, salıncağın tarafınız düşerken değil, zaten yükselirken ayaklarınızla yeri itmek daha kolay ve etkilidir.

Aynı sebepten dolayı bir çukura sıkışan araba, kendisinin ileri doğru hareket ettiği anlarda yavaş yavaş sallanır ve ileri doğru itilir. Bu, ataletini önemli ölçüde artırarak titreşimlerin genliğini artırır.

Çok var benzer örnekler Bu, pratikte rezonans olgusunu sıklıkla kullandığımızı, ancak bunu fizik kurallarını uyguladığımızın farkına varmadan sezgisel olarak yaptığımızı gösterir.

Rezonans olgusunun faydası yukarıda tartışılmıştı. Ancak rezonans aynı zamanda zararlı da olabilir. Bazen titreşim genliğinde ortaya çıkan artış çok zararlı olabilir. Özellikle köprüdeki asker topluluğundan bahsettik.

Yani tarihte köprülerin gerçekten çöktüğü ve askerlerin basamakları altında suya düştüğü birkaç vaka vardı. Bunlardan sonuncusu yaklaşık yüz yıl önce St. Petersburg'da meydana geldi. Bu gibi durumlarda askerlerin çizmelerinin darbe frekansı köprünün titreşim frekansıyla çakışıyor ve köprü çöküyordu.

giriiş

Bölüm 1. Zorlanmış titreşimler

1Zorlanmış salınımların özellikleri ve örnekleri

2 Rezonans fenomeni

Bölüm 2. Teknolojide titreşimlerin kullanımı

1 Serbest titreşim

2 Dökümde titreşimin kullanımı

3 Sıralama için titreşimleri kullanma toplu malzemeler

Bölüm 3. Zararlı eylemler dalgalanmalar

1 Geminin yunuslama ve dengeleyicileri

2 Mürettebat dalgalanmaları

3 Anti-rezonans

Çözüm

Kullanılmış literatür listesi

giriiş

Şu anda salınımlı süreçlere gösterilen ilgi çok geniştir ve sarkaç salınımlarının incelenmesinin çok ötesine geçmektedir. XVII'nin başı Bilim adamlarının salınımlarla yeni yeni ilgilenmeye başladıkları yüzyıl.

Çeşitli bilgi dallarıyla tanışmak, doğa olaylarını gözlemlemek, titreşimlerin en yaygın mekanik hareket biçimlerinden biri olduğunu görmek zor değildir. Salınım hareketleriyle karşılaşıyoruz Gündelik Yaşam ve teknoloji: bir duvar saatinin sarkacı dikey bir konum etrafında periyodik salınımlar yapar, yüksek hızlı bir türbinin temeli ana şaftın dönüşüyle zaman içinde salınır, bir demiryolu vagonunun gövdesi demiryolu bağlantı noktalarından geçerken yaylar üzerinde sallanır. , vesaire.

Tüm bu durumlarda salınım yapan cisim iki nokta arasında periyodik (tekrarlanan) bir hareket gerçekleştirir. aşırı pozisyonlar, aynı noktadan aşağı yukarı eşit zaman aralıklarından geçerek, bazen bir yönde, bazen ters yönde.

Modern bilimsel görüşlere göre ses, ısı, ışık, elektromanyetik olaylar yani Çevremizdeki dünyanın en önemli fiziksel süreçleri çeşitli titreşim türleridir.

İnsanlar arasında güçlü bir iletişim aracı olan insan konuşması titreşimlerle ilişkilidir. ses telleri. İnsanlarda karmaşık duyguları (deneyimler, hisler) yeniden üretebilen ve uyandırabilen müzik, diğer ses olgularıyla aynı şekilde havanın, tellerin, plakaların ve diğer titreşimlerle fiziksel olarak belirlenir. elastik cisimler. Salınımlar, elektrik ve radyo gibi önde gelen teknoloji dallarında olağanüstü bir rol oynamaktadır. Üretim, iletim ve tüketim elektrik enerjisi, telefon, telgraf, radyo yayıncılığı, televizyon (görüntülerin uzak bir mesafeye iletilmesi), radar (radyo dalgalarını kullanarak yüzlerce kilometre uzakta bulunan nesneleri tanıma yöntemi) - teknolojinin tüm bu önemli ve karmaşık dalları elektrik ve elektromanyetik titreşimler.

Canlı bir organizmada titreşimlerle karşılaşırız. Kalbin atışı, midenin ve diğer organların kasılması periyodiktir.

İnşaatçılar ve tasarımcılar, çeşitli yapı ve makinelerin titreşim olasılığını hesaba katmak zorundadır. Gemi yapımcıları bir geminin sallanması ve titreşimi (salınımları) ile ilgilenir. Taşımacılık çalışanları arabaların, lokomotiflerin, köprülerin titreşimleriyle, pilotlar ise uçakların titreşimleriyle ilgileniyor. Titreşimlerin önemli bir rol oynamadığı bir teknoloji dalını adlandırmak zordur. Salınımlı süreçlerin biçimlerinin çeşitliliği ve zenginliği çok büyüktür. Bazı durumlarda makinelerin çalışmasına eşlik eden mekanik titreşimler zararlı ve tehlikelidir. Diğer durumlarda, özellikler ve özellikler mekanik titreşimler Makine mühendisliğinde ve inşaatta çeşitli teknik amaçlarla büyük fayda sağlamak üzere kullanılır.

Bu çalışmanın çalışma konusu zorlanmış salınımlardır.

Bu ders çalışmasının amacı, rezonans olgusu, rezonansın yol açabileceği sonuçlar ve bu olgunun nerede uygulandığı hakkında mümkün olduğunca çok şey öğrenmektir.

Amaç: Zorlanmış titreşimlerin özelliklerini ve teknolojide oynadıkları rolü daha derinlemesine incelemek.

Bölüm 1. Zorlanmış titreşimler

.1 Zorlanmış titreşimlerin özellikleri ve örnekleri

Zorlanmış salınımlar, periyodik olarak değişen harici bir kuvvetin etkisi altında salınımlı bir sistemde meydana gelen salınımlardır. Bu kuvvet, kural olarak, ikili bir rol oynar: Birincisi, sistemi sallar ve ona belirli bir enerji kaynağı sağlar; ikincisi, direnç ve sürtünme kuvvetlerinin üstesinden gelmek için enerji kayıplarını (enerji tüketimini) periyodik olarak yeniler.

İtici gücün zamanla yasaya göre değişmesine izin verin:

Böyle bir kuvvetin etkisi altında salınan bir sistemin hareket denklemini oluşturalım. Sistemin yarı elastik bir kuvvetten de etkilendiğini varsayıyoruz. ve çevrenin direnç gücü (Küçük dalgalanmalar varsayımı altında bu doğrudur). O zaman sistemin hareket denklemi şöyle görünecektir:

veya

Değişiklikler yapıldıktan sonra , , - sistemin salınımlarının doğal frekansı, düzgün olmayan bir doğrusal diferansiyel denklem 2 elde ederiz o emir:

Diferansiyel denklemler teorisinden genel çözümün olduğu bilinmektedir. Olumsuz homojen denklem homojen denklemin genel çözümünün ve homojen olmayan denklemin özel çözümünün toplamına eşittir.

Homojen denklemin genel çözümü bilinmektedir:

Nerede ;0ve a keyfi yapılardır.

Bir vektör diyagramı kullanarak bu varsayımın doğru olduğunu doğrulayabilir ve ayrıca değerleri belirleyebilirsiniz. A Ve J .

Salınımların genliği aşağıdaki ifadeyle belirlenir:

Anlam J Zorunlu salınımın faz gecikmesinin büyüklüğü olan onu belirleyen zorlayıcı güçten , ayrıca vektör diyagramından da belirlenir ve:

Son olarak, homojen olmayan denklemin özel bir çözümü şu şekli alacaktır:

(1)

Toplamda bu fonksiyon, sistemin zorlanmış salınımlar altındaki davranışını tanımlayan homojen olmayan diferansiyel denklemin genel çözümünü verir. Terim (2), sürecin ilk aşamasında, sözde salınımların oluşumu sırasında önemli bir rol oynar (Şekil 1). Üstel faktör nedeniyle zamanla ikinci terimin (2) rolü giderek azalır ve yeterli bir süre sonra, çözümde yalnızca (1) terimi tutularak ihmal edilebilir.

(2)

Şekil 1. Salınımların kurulduğu sürecin aşamaları

Dolayısıyla fonksiyon (1) kararlı durum zorlanmış salınımlarını tanımlar. İtici kuvvetin frekansına eşit frekansa sahip harmonik salınımları temsil ederler. Zorlanmış salınımların genliği, itici kuvvetin genliği ile orantılıdır. Belirli bir salınım sistemi için (w tanımlı) 0ve b) genlik, itici kuvvetin frekansına bağlıdır. Zorunlu salınımlar itici kuvvetten faz olarak geride kalır ve gecikmenin büyüklüğü J aynı zamanda itici gücün frekansına da bağlıdır.

Zorunlu salınımların genliğinin itici kuvvetin frekansına bağımlılığı, belirli bir sistem için belirlenen belirli bir frekansta salınımların genliğinin ulaşması gerçeğine yol açar. maksimum değer. Salınım sisteminin bu frekanstaki itici kuvvetin hareketine özellikle duyarlı olduğu ortaya çıktı. Bu olaya rezonans denir ve karşılık gelen frekansa rezonans frekansı denir.

Bazı durumlarda, salınım sistemi, çalışması sürtünme ve diğer dirençlerden kaynaklanan enerji kaybını periyodik olarak telafi eden bir dış kuvvetin etkisi altında salınır. Bu tür salınımların sıklığı, salınım sisteminin özelliklerine değil, sistemin salınımlarını yaptığı etkisi altında periyodik kuvvetteki değişikliklerin sıklığına bağlıdır. Bu durumda zorlanmış salınımlarla, yani dış kuvvetlerin etkisiyle sistemimize uygulanan salınımlarla uğraşıyoruz.

Rahatsız edici kuvvetlerin ve dolayısıyla zorlanmış salınımların kaynakları çok çeşitlidir.

Doğada ve teknolojide bulunan rahatsız edici güçlerin doğası üzerinde duralım. Daha önce de belirtildiği gibi, elektrikli makineler, buhar veya gaz türbinleri, yüksek hızlı volanlar vb. Dönen kütlelerin dengesizliği nedeniyle rotorların, bina temellerinin zeminlerinin vb. titreşimlerine neden olurlar. Motorları içeren pistonlu makineler içten yanma ve buhar motorları, bazı parçaların (örneğin bir piston) ileri geri hareketi nedeniyle, gazların veya buharın egzozu, periyodik rahatsız edici kuvvetlerin kaynağıdır.

Tipik olarak, rahatsız edici kuvvetler makine hızının artmasıyla birlikte artar, bu nedenle yüksek hızlı makinelerde titreşimlere karşı mücadele son derece önemli hale gelir. Genellikle özel bir elastik temel oluşturularak veya makinenin elastik bir süspansiyonu monte edilerek gerçekleştirilir. Makine bir temel üzerine sağlam bir şekilde monte edilirse, makineye etki eden rahatsız edici kuvvetler neredeyse tamamen temele ve ardından zemin yoluyla makinenin kurulu olduğu binaya ve yakındaki yapılara iletilir.

Dengesiz kuvvetlerin taban üzerindeki etkisini azaltmak için, makinenin elastik taban (conta) üzerindeki doğal titreşim frekansının, dönme sayısıyla belirlenen rahatsız edici kuvvetlerin frekansından önemli ölçüde düşük olması gerekir. makine.

Geminin zorunlu salınımlarının nedeni, gemilerin yuvarlanması, yüzen bir gemiye periyodik olarak çarpan dalgalardır. Su dalgalarının etkisi altında geminin bir bütün olarak sallanmasının yanı sıra, zorlanmış salınımlar (titreşim) de gözlemlenmektedir. bireysel parçalar gemi gövdesi. Bu tür titreşimlerin nedeni, pervaneyi döndüren geminin ana motorunun yanı sıra yardımcı mekanizmaların (pompalar, dinamolar vb.) dengesizliğidir. Gemi mekanizmalarının çalışması sırasında, tekrarlama sıklığı makinenin devir sayısına bağlı olan dengesiz kütlelerin atalet kuvvetleri ortaya çıkar. Ayrıca pervane kanatlarının gemi gövdesine periyodik darbesi nedeniyle gemide zorlanmış titreşimler meydana gelebilir.

Köprünün zorlanmış titreşimleri, bir grup insanın adım adım yürümesinden kaynaklanabilir. Salınımlar demiryolu köprüsü Geçen bir lokomotifin tahrik tekerleklerini birbirine bağlayan ikizlerin etkisi altında ortaya çıkabilir. Hareketli aksamın zorlanmış titreşimlerine neden olan sebeplere tren(elektrikli lokomotif, buharlı lokomotif veya dizel lokomotif ve arabalar), tekerleklerin ray bağlantıları üzerindeki periyodik olarak tekrarlanan etkilerini içerir. Arabaların zorlanmış titreşimleri, tekerleklerin düz olmayan yol yüzeylerine tekrar tekrar çarpmasından kaynaklanır. Asansörlerin ve madenlerin kaldırma kafeslerinin zorlanmış titreşimleri, kaldırma makinesinin dengesiz çalışması nedeniyle meydana gelir. düzensiz şekilüzerine halatların sarıldığı tamburlar vb. Enerji iletim kablolarının zorlanmış titreşimlerine neden olan sebepler şunlardır: yüksek binalar, direkler ve bacalarda sert rüzgarlar olabilir.

Özellikle ilgi çekici olan, uçakların neden olabileceği zorlanmış titreşimlerdir. çeşitli nedenlerden dolayı. Burada öncelikle pervane grubunun çalışmasından dolayı uçağın neden olduğu titreşimi akılda tutmak gerekir. Krank mekanizmasının dengesizliği, çalışan motorlar ve dönen pervaneler nedeniyle zorlanmış titreşimleri destekleyen periyodik şoklar meydana gelir.

Yukarıda tartışılan dış periyodik kuvvetlerin hareketinin neden olduğu salınımların yanı sıra, uçaklarda farklı nitelikteki dış etkiler de gözlemlenmektedir. Özellikle uçağın ön kısmının zayıf düzene girmesi nedeniyle titreşimler ortaya çıkar. Kanattaki üst yapıların etrafındaki zayıf akış veya kanat ile uçağın gövdesi (gövdesi) arasındaki düzgün olmayan bağlantı, girdap oluşumlarına neden olur. Hava girdapları koparak kuyruğa çarpan ve kuyruğun sallanmasına neden olan titreşimli bir akış yaratır. Uçağın bu şekilde sarsılması belirli uçuş koşullarında meydana gelir ve kendisini her 0,5-1 saniyede bir, pek düzenli olmayan şoklar şeklinde gösterir.

Esas olarak uçağın kanatları ve uçağın diğer ön kısımları etrafındaki akıştaki türbülansa bağlı olarak uçağın parçalarının titreşimiyle ilişkili olan bu tür titreşime "parlatma" adı verilir. Kanattan gelen akışların kesintiye uğramasından kaynaklanan parlatma olgusu, özellikle uçağın kuyruğuna çarpma süresi, uçağın kuyruğunun veya gövdesinin serbest titreşim süresine yakın olduğunda tehlikelidir. Bu durumda büfe tipi dalgalanmalar hızla artıyor.

Çok ilginç vakalar Bir uçağın kanadından birlikler düşürülürken parlatma gözlemlendi. Kanatta insanların görünmesi girdap oluşumlarına yol açarak uçakta titreşimlere neden oldu. İki koltuklu bir uçakta bir başka kuyruk sallantısı vakası, bir yolcunun arka kokpitte oturması ve çıkıntılı kafasının hava akışında girdap oluşumuna katkıda bulunmasından kaynaklandı. Arka kabinde yolcu bulunmadığında herhangi bir titreşim gözlemlenmedi.

Aerodinamik nitelikteki rahatsız edici kuvvetlerin neden olduğu pervanenin bükülme titreşimleri de önemlidir. Bu kuvvetler, pervanenin dönerken her devirde kanadın ön kenarını iki kez geçmesi nedeniyle ortaya çıkar. Kanadın hemen yakınındaki ve ondan belirli bir mesafedeki hava akış hızları farklıdır ve bu nedenle pervaneye etki eden aerodinamik kuvvetlerin, pervanenin her dönüşünde periyodik olarak iki kez değişmesi gerekir. Bu durum heyecanın nedeni enine titreşimler pervane kanatları.

1.1 Rezonans fenomeni

Zorla salınımların genliğinde keskin bir artışın gözlendiği olguya rezonans denir.

Rezonans frekansı, zorunlu salınımların genliği için maksimum koşuldan belirlenir:

Daha sonra bu değeri genlik ifadesinde yerine koyarsak şunu elde ederiz:

(4)

Orta düzeyde bir direncin yokluğunda, rezonanstaki salınımların genliği sonsuza dönecektir; aynı koşullar altında (b = 0) rezonans frekansı, salınımların doğal frekansı ile çakışır.

Zorla salınımların genliğinin itici kuvvetin frekansına (veya aynı şekilde salınım frekansına) bağımlılığı grafiksel olarak gösterilebilir (Şekil 2). Bireysel eğriler farklı değerlere karşılık gelir B . Daha az B , bu eğrinin maksimumu ne kadar yüksekte ve sağda yer alır (w ifadesine bakın) res. ). Çok yüksek zayıflama ile rezonans gözlenmez - frekans arttıkça, zorunlu salınımların genliği monoton olarak azalır (Şekil 2'deki alt eğri).

Şekil 2. Zorunlu salınımların genliğinin itici kuvvetin frekansına bağımlılığı

Farklı b değerlerine karşılık gelen sunulan grafik kümesine rezonans eğrileri denir. Notlarrezonans eğrileriyle ilgili olarak: w®0 ilerledikçe, tüm eğriler sıfırdan farklı bir değere eşit olur: . Bu değer, sabit bir F kuvvetinin etkisi altında sistemin denge konumundan aldığı yer değiştirmeyi temsil eder. 0. Şu tarihte: w®¥ tüm eğriler asimptotik olarak sıfıra eğilimlidir, çünkü yüksek frekanslarda kuvvet yönünü o kadar hızlı değiştirir ki sistemin denge konumundan gözle görülür şekilde kayması için zamanı olmaz. B ne kadar küçükse, rezonansa yakın genlik frekansla birlikte o kadar fazla değişir, maksimum "keskin" olur.

Tek parametreli bir rezonans eğrileri ailesi, özellikle bilgisayar kullanılarak kolayca oluşturulabilir. Bu yapının sonucu Şekil 2'de gösterilmektedir. 3. "Geleneksel" ölçü birimlerine geçiş, yalnızca koordinat eksenlerinin ölçeği değiştirilerek gerçekleştirilebilir.

Pirinç. 3. Zayıflama miktarını belirleyen fonksiyon

Zorunlu salınımların genliğinin maksimum olduğu itici kuvvetin frekansı da sönümleme katsayısına bağlıdır ve sönüm katsayısı arttıkça hafifçe azalır. Son olarak sönüm katsayısındaki bir artışın rezonans eğrisinin genişliğinde önemli bir artışa yol açtığını vurguluyoruz.

Noktanın salınımları ile itici güç arasında ortaya çıkan faz kayması aynı zamanda salınımların frekansına ve sönümleme katsayılarına da bağlıdır. Zorunlu salınım sürecinde enerji dönüşümünü ele alırken bu faz değişiminin rolüne daha aşina olacağız.

Zorlanmış titreşimler bazı durumlarda makinelerin normal çalışması ve yapıların bütünlüğü açısından tehlike oluşturur. Bir yapıya periyodik olarak etki eden küçük bir rahatsız edici kuvvet bile, belirli koşullar altında, daha tehlikeli olabilir. sabit kuvvet boyutu onlarca kat daha büyüktür.

Titreşimlerin etkisi çoğu zaman beklendiği gibi bozucu kuvvetlerin etki ettiği yerin hemen yakınında değil, ondan uzak yerlerde ve hatta titreşime maruz kalan yapıyla doğrudan bağlantısı olmayan bir sistemde kendini gösterir. Örneğin. makinenin çalışması hem makinenin bulunduğu binada hem de yakındaki binada titreşimlere neden olur; su pompalama motorunun çalışması yakındaki demiryolu köprüsünde vb. titreşimlere neden olabilir.

Bu tuhaf olayların nedeni, herhangi bir yapının belirli bir frekansta elastik titreşimler gerçekleştirme yeteneğidir. Yapıyı, belli bir perdede ses üretebilen ve dışarıdan duyulduğunda bu seslere tepki verebilen bir müzik aletine benzetebiliriz. Bir yapıya belirli bir frekansta periyodik bir yük uygulandığında, özellikle yapının doğal frekansı bu frekansa yakın veya onun katlarına yakın olan kısmında önemli titreşimler meydana gelecektir. Dolayısıyla yapının bu kısmında yükün uygulandığı yerden kaldırılsa bile rezonans olayı meydana gelebilir. titreşim rezonans teknolojisi sönümleyici

Bu olay, bozucu kuvvetin frekansı sistemin doğal frekansına eşit olduğunda ortaya çıkar.

İtici kuvvetin frekansı, salınım yapabilen bir sistemin doğal frekansı ile çakıştığında, zorlanmış salınımların genliğinde keskin bir artış olgusuna rezonans denir.

Rezonans olgusu önemlidir çünkü oldukça sık meydana gelir. Örneğin salıncakta sallanan bir çocuğu iten herkes rezonansla karşı karşıya kalmıştır. Gözlerinizi kapatıp salıncağı rastgele iterseniz bunu yapmak oldukça zordur. Ancak doğru ritmi bulursanız salıncağı sallamak kolaydır. Bu nedenle en büyük sonuç, yalnızca bireysel şoklar arasındaki sürenin salınımın salınım periyoduyla çakışması durumunda elde edilebilir; rezonans koşulu sağlanır.

Makineleri ve çeşitli yapı türlerini tasarlarken rezonans olgusu dikkate alınmalıdır. Bu cihazların doğal titreşim frekansı hiçbir durumda olası dış etkilerin frekansına yakın olmamalıdır. Dolayısıyla, örneğin bir geminin gövdesinin veya bir uçağın kanatlarının titreşimlerinin doğal frekansı, bir geminin pervanesinin veya bir uçağın pervanesinin dönüşüyle uyarılan titreşimlerin frekansından çok farklı olmalıdır. Aksi takdirde, kasanın tahrip olmasına ve felakete yol açabilecek büyük genlikli titreşimler meydana gelir. Yürüyen asker sütunlarının üzerinden geçerken köprülerin çöktüğü bilinen durumlar vardır. Bunun nedeni, köprünün doğal titreşim frekansının, kolonun yürüdüğü frekansa yakın olmasıdır.

Aynı zamanda rezonans olgusunun çoğu zaman çok faydalı olduğu ortaya çıkar. Örneğin rezonans sayesinde ultrasonik titreşimlerin kullanılması mümkün hale geldi. ses titreşimleri yüksek frekans Tıpta: Teşhis amacıyla bazen insan vücudunda oluşan taşları yok etmek çeşitli hastalıklar. Aynı sebepten dolayı ultrasonik titreşimler patojenler de dahil olmak üzere bazı mikroorganizmaları öldürebilir.

Elektrik devrelerinde, doğal frekansları radyo dalgalarının elektromanyetik salınımlarının frekanslarıyla çakıştığında rezonans olgusu, alıcılarımızı kullanarak televizyon ve radyo yayınlarını almamızı sağlar. Bu, bir (istenen) radyo istasyonunun sinyallerini diğer tüm (parazit yapan) istasyonların sinyallerinden ayırmanıza olanak tanıyan neredeyse tek yöntemdir. Elektromanyetik salınımların frekansı atomların doğal frekanslarıyla çakıştığında rezonans, ışığın bir madde tarafından emilmesini açıklayabilir. Ve bu emilim, Güneş'ten gelen ısının emiliminin, görüşümüzün ve hatta mikrodalga fırının çalışmasının temelini oluşturur.

Bununla birlikte, Latince rezono - yanıt veriyorum kelimesinden gelen "rezonans" sözcüğü, salınım yapabilen bir şeyin periyodik bir dış etkiye kendi salınımlarının genliğini artırarak yanıt vermesi durumunda, çok farklı süreçler arasında benzerlik kurmanın anahtarıdır. Yani küçük sebepler büyük sonuçlara yol açabiliyor.

Bu özelliği belirledikten sonra örnek listesine kolayca devam edebilirsiniz ve çoğu zaman olduğu gibi rezonansın hem yararlı hem de zararlı tezahürlerini keşfedeceksiniz. Rezonans da dahil olmak üzere salınımlı süreçlerin tanımındaki evrensellik, bilim adamlarının daha önce keşfedilmemiş alanları, örneğin mikrofenomenlerin dünyasını keşfetmelerinde yol gösterici bir yıldız görevi gördü. Ve bu böyle bir şeyin yaratılmasına yol açtı güçlü yöntemler Elektron paramanyetik rezonansı ve nükleer manyetik rezonans gibi maddenin yapısına ilişkin çalışmalar. Antik tiyatroda bile, oyuncunun sesini yükseltmek için dar uzun boyunlu, küresel veya şişe şeklindeki oyuklar olan büyük kil veya bronz kaplar (Helmholtz rezonatörlerinin prototipleri) kullanıldı.

Antik çağlardan beri, zil çalanlar bilinçsizce rezonans olgusunu kullandılar, ağır bir zili önemsiz ama ritmik şoklarla salladılar. Ve bir zamanlar Köln Katedrali'nde, diliyle aynı fazda sallanan ve ondan hiçbir ses çıkmasına izin vermeyen bir çan asılıydı. 20. yüzyılın 30'lu yıllarının başında neredeyse tüm havacılar karşılaştı gizemli fenomen Sakin yatay uçuş yapan uçakların birdenbire öyle bir kuvvetle titremeye başlamasına çarpıntı adı verilir ve bunlar havada parçalanır. Çarpıntının, değişikliklere neden olanlara benzer nedenlerden kaynaklandığı ve hızdaki artışla ilişkili frekanstaki artışın tonda bir artışa yol açtığı ortaya çıktı.

Kablo yalıtımı laboratuvarda test edilmiştir. DC gerilimi bazen alternatif akımla çalışırken kırıldı. Bunun, mevcut titreşimlerin periyodu doğal periyotla çakıştığında ortaya çıktığı ortaya çıktı. elektriksel titreşimler kablo, bu da voltajın arıza voltajından kat kat daha yüksek olmasına neden oldu. Devasa modern siklotronlar (yüklü parçacıkların hızlandırıcıları) bile basit bir prensip kullanır; bu prensip, bir parçacığın spiral bir yörünge boyunca hareketi ile parçacığı periyodik olarak "teşvik eden" alternatif bir elektrik alanı arasındaki rezonansı sağlamaktır.

Bölüm 2. Teknolojide titreşimlerin kullanımı

Salınımlar doğadaki ve teknolojideki en yaygın süreçlerden biridir. Salınımlar mekanik, elektromanyetik, kimyasal, termodinamik ve diğerleri olabilir. Bu çeşitliliğe rağmen hepsinin pek çok ortak noktası vardır ve bu nedenle aynı diferansiyel denklemlerle tanımlanırlar.

Fiziğin özel bir dalı olan salınım teorisi, bu olayların yasalarının incelenmesiyle ilgilenir. Gemi ve uçak imalatçıları, endüstri ve ulaştırma uzmanları ile radyo mühendisliği ve akustik ekipman yaratıcılarının bunları bilmesi gerekir. Salınımları inceleyen ilk bilim adamları Galileo Galilei (1564...1642) ve Christian Huygens (1629...1692) idi. Galileo, bir katedraldeki avizenin salınımını gözlemleyerek ve zamanı elindeki nabız atışlarıyla ölçerek küçük titreşimlerin izokronizmini (periyodun genlikten bağımsızlığı) kurdu. Huygens ilk sarkaçlı saati icat etti (1657) ve “Sarkaçlı Saatler” (1673) adlı monografisinin ikinci baskısında bir sarkacın hareketiyle ilgili bir takım problemleri araştırdı, özellikle fiziksel bir saatin salınım merkezini buldu. sarkaç.

Pek çok bilim adamı salınımların incelenmesine büyük katkılarda bulundu: İngilizce - W. Thomson (Lord Kelvin) ve J. Rayleigh<#"justify">2.1 Serbest titreşimler

Çevremizde olup bitenler arasında mekanik hareketler Tekrarlayan hareketler yaygındır. Herhangi bir düzgün dönüş, tekrarlanan bir harekettir: her bir dönüşte, düzgün bir şekilde dönen bir cismin her noktası, bir önceki dönüşte olduğu gibi aynı konumlardan, aynı sırayla ve aynı hızda geçer.

Gerçekte tekrar her zaman ve her koşulda tam olarak aynı değildir. Bazı durumlarda her biri yeni döngüöncekini çok doğru bir şekilde tekrarlar, diğer durumlarda ardışık döngüler arasındaki fark fark edilebilir. Kesinlikle kesin tekrardan sapmalar çoğu zaman o kadar küçüktür ki ihmal edilebilirler ve hareketin oldukça doğru bir şekilde tekrarlandığı düşünülebilir; bunu periyodik olarak düşünün.

Periyodik hareket, her döngünün diğer döngüyü tam olarak yeniden ürettiği tekrarlanan bir harekettir.

Bir döngünün süresine periyot denir. Açıkçası, tekdüze dönüş süresi bir devrimin süresine eşittir.

Doğada ve özellikle teknolojide salınım sistemleri son derece önemli bir rol oynar; gerçekleştirme kapasitesine sahip organlar ve cihazlar periyodik hareketler. "Kendi başlarına" - bu, periyodik dış güçlerin etkisiyle bunu yapmaya zorlanmadan anlamına gelir. Bu tür salınımlara bu nedenle denir serbest titreşimler zorunlu olanların aksine, periyodik olarak değişen dış güçlerin etkisi altında meydana gelir.

Tüm salınımlı sistemlerin bir takım ortak özellikleri vardır:

Her salınım sisteminin kararlı bir denge durumu vardır.

Salınım sistemi kararlı bir denge durumundan çıkarılırsa, sistemi kararlı bir konuma döndüren bir kuvvet ortaya çıkar.

Kararlı bir duruma döndükten sonra salınan cisim hemen duramaz.

20 yılı aşkın bir süre önce beton karışımlarının üretiminde vibrasyon kullanılmaya başlandı. Bu, katmanların çalışmasını kolaylaştırmayı, işgücü verimliliğini artırmayı, beton maliyetini düşürmeyi ve kalitesini iyileştirmeyi mümkün kıldı.

Beton en yaygın yapı malzemelerinden biridir. Kırma taş (küçük taş), kum, çimento ve su karışımından yapılan ve çimentonun bağlayıcı madde (yapıştırıcı) olduğu yapay bir taştır. Beton neredeyse her türlü inşaatta kullanılır - endüstriyel, sivil, hidrolik, yol, köprü, özel. Barajlar, kilitler, köprüler, yollar, uçak iniş pistleri, setler, asansörler, endüstriyel ve sivil binalar vb. gibi birçok yapı tamamen beton veya betonarmeden inşa edilmiştir.

Döşeme kolaylığı için beton karışımının yeterince hareketli olması gerekir. Öte yandan en yoğun ve dayanıklı betonu elde etmek için sert (su içeriği düşük) bir karışım kullanılması gerekir. Bu önemli teknik sorun vibratörlerin kullanılmasıyla çözülür. Vibratör, beton karışımının parçacıklarına iletilen sık titreşimler gerçekleştiren ve bunların etkisi altında parçacıklar titreşerek titreşim merkezinin sürekli olarak daha fazla sıkıştırma yönünde kaymasını sağlayan bir mekanizmadır. Hareket eden beton karışımı kalıbın köşelerine akarak kalıbı iyice doldurur.

Ülkemizde beton kütlenin titreşiminin kullanılmasında öncü rol hidrolik mühendislik inşaatı tarafından oynanmaktadır. En büyük hidrolik mühendisliği şantiyesi olan Volgostroy'da (1936-1940), beton hacminin tamamı (2 milyondan fazla) metreküp) titreşim kullanılarak döşenir.

Günümüzde vibrasyonla beton döşeme oldukça yaygındır ve oldukça yaygın bir uygulamadır. Etkili araçlar malzemenin kalitesini arttırmak. Vibrasyonlu betonun ana avantajı, beton karışımını daha az su içeriğiyle iyice sıkıştırabilme yeteneğidir. Dolayı yüksek yoğunluk vibrasyonlu beton, atmosferdeki ve sudaki zararlı yabancı maddelerin etkilerine karşı elle serilmiş betona göre daha dayanıklıdır.

Vibrasyonlu betonun su emme oranı sadece %3 iken, aynı bileşime sahip sıkıştırılmış beton için bu oran %7'dir. Rezervuarlar, borular vb. inşa edilirken büyük önem taşıyan su direnci önemli ölçüde artar. Vibrasyonlu beton, elle yerleştirilen betona göre aşınmaya daha dayanıklıdır. Bu, daha yüksek yoğunluğuyla açıklanmaktadır. Titreşimli betonda donatıya yapışma, elle döşemeye göre %60-80 daha iyidir.

Aynı çimento tüketiminde basınç dayanımı %100 daha yüksektir. Vibrasyonlu betonun darbe dayanımı, sıkıştırılmış betonun dayanımından 1,5-1,9 kat daha fazladır.

Vibrasyonlu betonun büzülmesi çok daha azdır ve elle serilmiş betonun büzülmesinin %50'sine ulaşabilir. Bu, çatlak riskini azaltır. Beton karışımlarının vibratörlerle döşenmesine geçişte çimento tasarrufunun %10 ile %25 arasında değişeceği tahmin edilmektedir ki bu da çok büyük ekonomik öneme sahiptir.

2.2 Dökümde titreşim kullanımı

Yüksek kaliteli dökme demir elde etmek için bazen zararlı gazları ve cürufları gidermek amacıyla erimiş dökme demirin titreştirilmesi tavsiye edilir. Erimiş dökme demir içeren bir kepçe, vibratörler kullanılarak salınım hareketine ayarlanan özel bir titreşimli platform üzerine yerleştirilir.

Pota ve dolayısıyla içerdiği sıvı dökme demirin titreşimi, dökme demirde bulunan gazların salınmasını ve ayrıca daha sonra yüzeyden uzaklaştırılabilen cüruf kalıntıları olan daha hafif maddelerin yüzmesini teşvik eder. kepçe. Bu şekilde saflaştırılan dökme demirden yapılan döküm parçalar, hem kabarcıklar nedeniyle daha az zayıflama hem de dökme demirin kalitesini düşüren cüruf kalıntılarının azaltılması açısından daha yüksek kalitededir.

.3 Dökme malzemeleri sınıflandırmak için titreşimlerin kullanılması

Teknolojinin bir dizi dalında, salınımlı hareketlerin kullanımına dayalı ayırma makineleri ve cihazları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar, tahılları ayırmak için kullanılan harman makineleri, harmanlayıcılar ve diğer tarım makineleridir. Üzerine ayıklanacak tahılın düştüğü harmanlama makineleri ve harman makinelerinin elekleri, zorla yanal veya uzunlamasına titreşimler uygulayarak tahılın eleğin çalışma yüzeyi boyunca ileri geri hareketini ve bunun sonucunda tahılın sınıflandırılmasını sağlar. Bu titreşimler genellikle krank mekanizmalarının hareketinden kaynaklanır.

Salınımlı proseslerin benzer bir kullanımı, kömür endüstrisinde, ana amacı susuzlaştırma olan özel eleme makinelerinin kullanıldığı işleme tesislerinde yaygındır. sert kömürler, hazırlık taramasında, yani. zenginleştirmeden önce kömürü sınıflara ayırmak, ticari kalite elde etmek için sınıflandırmak vb. Benzer bir mekanizma peri masallarında bile kullanılabilir, örneğin: "Külkedisi", üvey annesi onu bezelye ve darıyı ayırmaya zorladığında. İşte böyle bir mekanizmanın yardımcı olabileceği yer burasıdır

Bölüm 3. Titreşimlerin zararlı etkileri

.1 Geminin yunuslaması ve stabilizatörleri

Çoğu zaman gemiler fırtınaya yakalanır ve tüm geminin sallanmasına neden olur. Dalgaların üzerindeki bu sallanma çoğu zaman tüm geminin feci bir şekilde yok olmasına neden oluyor ve buna bazen kayıplar da eşlik ediyor.

Geminin yanal hareketini azaltmak için özel titreşim emiciler kullanılır. Böyle bir emici, iletişim kuran gemilere benzeyen Fram tanklarıdır. Fram emici geminin içinde bulunur ve yarısı suyla doldurulmuş ve birbirine altta bir su boru hattı ve üstte vanalı bir hava boru hattı ile bağlanan iki tanktan oluşur. Gemi yana doğru yuvarlandığında dengeleyicideki su kütlesi de salınacaktır. Bu salınımlı sistemde, kelimenin tam anlamıyla bir "yay" yoktur, ancak geri yükleme kuvvetinin rolü, su seviyesini her zaman denge konumuna döndürmeye çalışan yerçekimi tarafından oynanır.

.2 Mürettebat dalgalanmaları

Bir vagonun (arabalar, faytonlar vb.) ön tekerleklerinin yol üzerinde tümsek şeklinde bir engelle karşılaştığını varsayalım; yayların sıkışması meydana gelecek ve bu da taşıyıcının salınmasına neden olacaktır. Ayrıca, arka tekerlekler aynı engele ulaştığında, salınım yapan taşıyıcıya ilave bir itme uygulanarak yeni salınımlara neden olunacaktır. İkincisi, ilk salınımların üzerine uygulanacaktır ve arabanın sonuçta ortaya çıkan salınım hareketi, şoklar arasındaki zaman aralığına veya arabanın hızına ve yoldaki engelin uzunluğuna bağlı olacaktır. Mürettebatın belirli bir hızında, rezonansın oluşmasına katkıda bulunan elverişsiz koşullar yaratılabilir. Ancak onu yumuşatmak için amortisörler kullanılır.

.3 Anti-rezonans

Anti-rezonans da yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, elektrik ağlarında reaktif akımları ortadan kaldıran boşaltma kapasitörleri kurulur. Manyetik alanın enerjisi santral ile tüketici arasında salınmaya başladığında kendiliğinden rezonans sırasında ortaya çıkarlar. Bu akımları ortadan kaldırmak için, kapasitörler devreye seri olarak bağlanır - enerji onlarla istasyon arasında salınmaya başlar ve bunun sonucunda güç kayıpları birçok kez azalır. Yüksek fırınlarda ve reaktif akımların neden olabileceği diğer yapılarda da benzer bir şey yapılır. büyük kayıplar. Bunu tamamen ekonomik nedenlerle yapıyorlar, yeni bir şey değil fiziksel etkiler antirezonans no.

Çözüm

Salınım, her döngünün diğer döngüyü tam olarak yeniden ürettiği tekrarlayan bir harekettir. Bir döngünün süresine periyot denir.

Frekans, salınan bir cismin birim zamanda gerçekleştirdiği döngü sayısıdır. Her salınım sisteminin kararlı bir denge durumu vardır. Salınım sistemi kararlı bir denge durumundan çıkarılırsa, sistemi kararlı bir konuma döndüren bir kuvvet ortaya çıkar. Kararlı bir duruma döndükten sonra salınan cisim hemen duramaz.

Serbest salınımlar, periyodik olarak değişen bir kuvvetin etki etmediği bir cismin salınımlarıdır ve bunun tersi de geçerlidir; eğer periyodik olarak değişen bir kuvvet, salınan bir cisme etki ediyorsa, bunlar zorunlu salınımlardır. İtici kuvvetin frekansı salınım sisteminin doğal frekansıyla çakışırsa rezonans meydana gelir.

Rezonans, itici kuvvetin frekansları ve salınım sisteminin doğal frekansı eşit olduğunda, zorlanmış salınımların genliğinde keskin bir artış olgusudur. Bu noktanın herhangi bir düz çizgiye izdüşümünün, bir nokta bir daire etrafında düzgün bir şekilde hareket ettiğinde yaptığı salınım, harmonik (veya basit) salınım olarak adlandırılır. Eğer Hakkında konuşuyoruz mekanik titreşimler hakkında, yani. herhangi bir katı, sıvı veya gazlı ortamın salınım hareketleri hakkında, o zaman salınımların yayılması, salınımların ortamın bir parçacığından diğerine aktarılması anlamına gelir. Titreşimlerin iletilmesi ortamın bitişik alanlarının birbirine bağlı olmasından kaynaklanmaktadır.

Ses aralığının altındaki frekanslara sahip duyulamayan mekanik titreşimlere infrasonik, ses aralığının üzerindeki frekanslara ise ultrasonik denir.

Dalgalanmalar hayatımızda büyük rol oynar. Söylediğim gibi Amerikalı fizikçi Richard Feynman "Doğada çoğu zaman bir şey 'titreşir' ve bir o kadar sıklıkla da rezonans meydana gelir."

Amacım rezonans olgusu, rezonansın yol açabileceği sonuçlar ve bu alışılmadık olgunun nerede kullanıldığı hakkında mümkün olduğunca çok şey öğrenmekti.

Rezonans olgusunun ne olduğunu, hayatta nerede ortaya çıktığını, ne zaman yararlı ve zararlı olabileceğini, rezonansın zararlı tezahüründen nasıl kurtulabileceğinizi - itici gücün frekansı ile çökmeyen yapılar yaratabileceğinizi öğrendim. salınım sisteminin doğal frekansıyla çakışır.

Çok zayıf titreşimler nasıl güçlendirilebilir? Rezonans olgusu biyoloji, sismoloji, astronomi, fizik vb. bilimlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Rezonans olgusu olmasaydı hayatımıza giren piyano, keman, gitar ve diğer enstrümanları çalmak mümkün olmazdı. Titreşimleri incelemek önemlidir çünkü onlar hayatımızın bir parçasıdır ve onlarla her adımda karşılaşabiliriz.

1. Detlaf A.A., Yavorsky B.M. Fizik dersi: öğretici kolejler ve üniversiteler için. - 4. baskı, rev. - M.: Daha yüksek. okul, 2012. - 718 s.

Somerfeld A., Mekanik. ―Izhevsk: Araştırma Merkezi “Düzenli ve Kaotik Dinamikler”, 2001. ―368İle.

Kingsep A.S., Lokshin G.R., Olkhov O.A. Fiziğin Temelleri. Kuyu genel fizik: Ders Kitabı. 2 ciltte T. 1. Mekanik, elektrik ve manyetizma, salınımlar ve dalgalar, dalga optiği - M.: FIZIATLIT, 2001. ―560 s.

Laboratuvar atölyesi fizikte. Bölüm 2. Salınımlar ve dalgalar. Dalga optiği. Moleküler fizik, katı hal fiziği, nükleer fizik. TUİT, 2003-s.126

Matveev A.N., Mekanik ve görelilik teorisi: Ders kitabı. üniversite öğrencileri için / A.N. Matveev. -3. baskı. - M .: LLC ““ONICS 21. yüzyıl” yayınevi: 000 “Barış ve Eğitim” yayınevi, 2003. - 432 s.

Savelyev, I.V. Fizik dersi: 3 cilt halinde: T.2: Elektrik. Salınımlar ve dalgalar. Dalga optiği / I.V. Savelyev.-4. baskı. silinmiş - St.Petersburg; M. Krasnodar: Lan.-2008.- 480 s.

Sivukhin D.V. Genel fizik dersi: üniversiteler için ders kitabı. 5 ciltlik Cilt II Termodinamik ve moleküler fizik. - 3. baskı, silindi. - M. FİZMATLIT, 2010. - 576 s.

Trofimova T.I. Fizik dersi: ders kitabı. üniversiteler için el kitabı. - Ed. 9., revize edildi ve ek - M .: Yayın Merkezi "Akademi", 2011. - 560 s.

Fizikte rezonans (tepki) kavramının tanımı, bu olguyla sıklıkla karşılaşan istatistik grafikleri olan özel teknisyenlere emanet edilmiştir. Günümüzde rezonans, bir titreşim sisteminin veya dış kuvvetteki ani bir artışın, başka bir sistemin belirli frekanslarda daha büyük genlikle salınmasına neden olduğu, frekans seçici bir yanıttır.

Çalışma prensibi

Bu fenomen gözlemleniyor bir sistem iki veya daha fazla enerji arasında enerji depolayabildiğinde ve kolayca aktarabildiğinde farklı modlar kinetik ve depolama gibi potansiyel enerji. Ancak döngüden döngüye zayıflama adı verilen bir miktar kayıp vardır. Sönümleme ihmal edilebilir olduğunda, rezonans frekansı yaklaşık olarak sistemin doğal frekansına, yani zorlanmamış salınımın frekansına eşittir.

Bu fenomenler her türlü salınım veya dalgayla meydana gelir: mekanik, akustik, elektromanyetik, nükleer manyetik (NMR), elektron dönüşü (ESR) ve kuantum rezonans dalga fonksiyonları. Bu tür sistemler belirli bir frekansta (örneğin müzik aletlerinde) titreşimler üretmek için kullanılabilir.

"Rezonans" terimi (Latince rezonans, "yankı") akustik alanından gelir; özellikle müzik aletlerinde görülen, örneğin tellerin titreşmeye başlaması ve oynatıcıdan doğrudan giriş olmadan ses üretmesi gibi.

Bir adamı salıncakta itmek bu olgunun yaygın bir örneğidir. Yüklü bir salınım, bir sarkaç, doğal bir titreşim frekansına ve daha hızlı veya daha yavaş itilmeye direnen bir rezonans frekansına sahiptir.

Bir örnek, bir sarkaç gibi hareket eden bir oyun alanı üzerindeki mermilerin salınımıdır. Bir kişinin doğal bir salınım aralığında sallanırken itmesi, salınımın giderek daha yükseğe çıkmasına (maksimum genlik) neden olur, daha hızlı veya daha yavaş bir tempoda sallanmaya çalışmak ise daha küçük yaylar oluşturur. Bunun nedeni, şoklar doğal titreşimlere karşılık geldiğinde titreşimler tarafından emilen enerjinin artmasıdır.

Tepki doğada yaygın olarak ortaya çıkar ve birçok yapay cihazda kullanılmaktadır. Bu, neredeyse tüm sinüs dalgalarının ve titreşimlerin üretildiği mekanizmadır. Metal, cam veya ahşaptan yapılmış sert nesnelerin çarpması gibi duyduğumuz seslerin çoğu, nesnedeki kısa titreşimlerden kaynaklanır. Işık ve diğer kısa dalga elektromanyetik radyasyon, atomlardaki elektronlar gibi atomik ölçekte rezonans tarafından yaratılır. Bu olgunun yararlı özelliklerinin geçerli olabileceği diğer koşullar:

Modern saatlerin zaman tutma mekanizmaları, mekanik saatlerde denge çarkı, saatlerde ise kuvars kristali.
Fundy Körfezi'nin gelgit tepkisi.
Müzik aletlerinin akustik rezonansları ve insan ses sistemi.
Müzikal doğru tonun etkisi altında kristal bir bardağın tahrip olması.
Cam bir nesnenin (cam, şişe, vazo) yapımı gibi sürtünmeli idiofonlar, parmak ucuyla kenarının etrafına sürtüldüğünde titreşir.
Radyo ve televizyonlardaki radyo frekanslarının seçici olarak alınmasına izin veren ayarlı devrelerin elektriksel tepkisi.
Bir lazer boşluğunda optik rezonans yoluyla tutarlı ışığın yaratılması.
Güneş Sistemindeki gaz devi uydulardan bazılarının örneklediği yörünge tepkisi.

Atomik ölçekte malzeme rezonansları yoğun madde fiziğinde kullanılan çeşitli spektroskopik yöntemlerin temelini oluşturur, örneğin:

Elektronik döndürme.
Mossbauer etkisi.
Nükleer manyetik.

Fenomen türleri

Rezonansı tanımlarken G. Galileo, en önemli şeye dikkat çekti - mekanik bir salınım sisteminin (ağır sarkaç), belirli bir frekansta harici bir kaynaktan sağlanan enerjiyi biriktirme yeteneği. Rezonans tezahürlerinin belirli özellikleri vardır. çeşitli sistemler ve bu nedenle farklı türleri vardır.

Mekanik ve akustik

Mekanik bir sistemin titreşim frekansı sistemin doğal titreşim frekansıyla eşleştiğinde daha fazla enerji absorbe etme eğilimidir. Bu, köprüler, binalar, trenler ve uçaklar da dahil olmak üzere tamamlanmamış yapılarda ciddi hareket dalgalanmalarına ve hatta yıkıcı arızalara yol açabilir. Tesisleri tasarlarken mühendisler, rezonans felaketi olarak bilinen bir olguyu önlemek için bileşen parçalarının mekanik rezonans frekanslarının, motorların veya diğer salınımlı parçaların salınım frekanslarıyla eşleşmemesini sağlamalıdır.

Elektriksel rezonans

Belirli bir rezonans frekansında bir elektrik devresinde devre empedansının seri devrede minimum veya paralel devrede maksimum olması durumunda meydana gelir. Devrelerdeki rezonans, televizyon, cep telefonu veya radyo gibi kablosuz iletişimleri iletmek ve almak için kullanılır.

Optik rezonans

Optik boşluk olarak da adlandırılan optik boşluk, aynaların oluşturduğu özel bir düzenlemedir. ışık dalgaları için duran dalga rezonatörü. Optik boşluklar, amplifikasyon ortamını çevreleyen ve lazer radyasyonuna geri bildirim sağlayan lazerlerin ana bileşenidir. Ayrıca optik parametrik osilatörlerde ve bazı interferometrelerde de kullanılırlar.

Boşluk içinde hapsedilen ışık, belirli rezonans frekansları için tekrar tekrar duran dalgalar üretir. Ortaya çıkan duran dalga desenlerine "modlar" adı verilir. Boyuna modlar yalnızca frekans açısından farklılık gösterirken, enine modlar farklı frekanslar için farklılık gösterir ve ışın kesiti boyunca farklı yoğunluk modellerine sahiptir. Halka rezonatörler ve fısıldayan galeriler, duran dalgalar üretmeyen optik rezonatörlerin örnekleridir.

Yörünge yalpalaması

Uzay mekaniğinde yörünge tepkisi ortaya çıkar iki yörüngesel cismin düzenli, periyodik olması durumunda yerçekimi etkisi Birbirine göre. Bunun nedeni genellikle yörünge dönemlerinin iki küçük tam sayının oranıyla ilişkili olmasıdır. Yörünge rezonansları, cisimlerin karşılıklı yerçekimi etkisini önemli ölçüde artırır. Çoğu durumda bu, rezonans ortadan kalkana kadar cisimlerin momentum ve yer değiştirme alışverişinde bulunduğu dengesiz bir etkileşimle sonuçlanır.

Bazı koşullar altında, bir rezonans sistemi kararlı olabilir ve vücutları rezonansta tutmak için kendi kendini düzeltebilir. Örnekler Jüpiter'in uyduları Ganymede, Europa ve Io'nun 1:2:4 rezonansı ve Plüton ile Neptün arasındaki 2:3 rezonansıdır. Kararsız rezonanslar iç aylar Satürn, Satürn'ün halkalarındaki boşluklardan kaynaklanır. Özel durum 1:1 rezonans (benzer yörünge yarıçaplarına sahip cisimler arasındaki), büyük Güneş Sistemi cisimlerinin yörüngelerinin etrafındaki mahalleleri temizlemesine ve etraflarındaki hemen hemen her şeyi dışarı itmesine neden olur.

Atomik, kısmi ve moleküler

Nükleer manyetik rezonans (NMR) fiziksel olarak belirlenen bir isimdir rezonans fenomeni, eğer harici bir manyetik alan mevcutsa, atom çekirdeğinin spesifik kuantum mekaniksel manyetik özelliklerinin gözlemlenmesiyle ilişkilidir. Birçok bilimsel yöntemler incelemek için NMR olaylarını kullanın moleküler fizik, kristaller ve kristal olmayan malzemeler. NMR aynı zamanda modern tıpta da yaygın olarak kullanılmaktadır. tıbbi yöntemler manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi görüntüleme.

Rezonansın yararları ve zararları

Rezonansın artıları ve eksileri hakkında bir sonuca varmak için, hangi durumlarda insan faaliyeti için kendisini en aktif ve belirgin şekilde gösterebileceğini düşünmek gerekir.

Olumlu etki

Tepki fenomeni bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır.. Örneğin birçok radyo devresinin ve cihazının çalışması bu olguya dayanmaktadır.

Olumsuz etki

Ancak bu fenomen her zaman yararlı değildir. Çoğu zaman aşağıdaki durumlara referanslar bulabilirsiniz: asma köprüler askerler yanlarında "adım adım" yürürken kırıldı. Aynı zamanda rezonansın rezonans etkisinin tezahürüne de atıfta bulunurlar ve buna karşı mücadele büyük ölçekli hale gelir.

Rezonansla mücadele

Ancak tepki etkisinin bazen feci sonuçlarına rağmen, bununla mücadele etmek oldukça mümkün ve gereklidir. Bu olgunun istenmeyen şekilde ortaya çıkmasını önlemek için genellikle kullanılır. Rezonansı aynı anda uygulamanın ve onunla mücadele etmenin iki yolu:

Frekansların “ayrışması” gerçekleştirilir, bu da çakışmaları durumunda istenmeyen sonuçlara yol açacaktır. Bunu yapmak için çeşitli mekanizmaların sürtünmesini arttırırlar veya sistemin doğal titreşim frekansını değiştirirler.
Örneğin motoru kauçuk bir kaplama veya yayların üzerine yerleştirerek titreşimlerin sönümlenmesini arttırırlar.

Rezonans ilkesi ses ve ışık dalgalarını nasıl etkiler? Nesnelerin titreşimleri ve rezonans frekansları nelerdir? Hangi gündelik örnekler rezonans hayatta bulunabilir mi? Sesini kullanarak bardak nasıl kırılır? Yakından bakarsanız her yerde rezonans örneklerini görebilirsiniz. Ancak bunların bir kısmı faydalıdır, bir kısmı ise zararlıdır.

Rezonans nedir?

İnsanların sıradan gözlükleri kullanarak nasıl güzel müzikler yarattığını hiç merak ettiniz mi? Cam ses dalgalarına daha fazla maruz kaldıkça kırılabilir. Işık dalgaları ayrıca etraflarındaki nesnelerle de özel şekillerde etkileşime girer. Ses ve ışık dalgalarının davranışı, insanların müzik enstrümanlarının seslerini neden duyduğunu ve renkleri neden ayırt ettiğini açıklamaktadır. Dalga genliğindeki değişiklikler rezonans adı verilen önemli bir prensipten kaynaklanır. Ses ve ışığın iletimi üzerindeki etkilere örnek olarak titreşimler gösterilebilir.

Ses dalgaları katı, sıvı ve gazlardaki mekanik titreşimlerden kaynaklanır. Işık dalgaları yüklü parçacıkların titreşiminden kaynaklanır. Nesneler, yüklü parçacıklar ve mekanik sistemler genellikle titreşme eğiliminde oldukları belirli bir frekansa sahiptir. Buna rezonans frekansları veya doğal frekansları denir. Bazı nesnelerin iki veya daha fazla rezonans frekansı vardır. Bir rezonans örneği: Engebeli bir yolda giderken arabanız yukarı aşağı zıplamaya başladığında, bu, arabanızın rezonans frekansında, daha doğrusu amortisörlerin rezonans frekansında salınmasına bir örnektir. Otobüse binerken geri tepme frekansının biraz daha yavaş olduğunu fark edebilirsiniz. Bunun nedeni lastik amortisörlerinin daha düşük rezonans frekansına sahip olmasıdır.

Bir ses veya ışık dalgası bir cisme çarptığında zaten belli bir frekansta titreşir. Eğer bu frekans cismin rezonans frekansıyla eşleşiyorsa bu durum bir rezonans elde etmenize neden olur. Bir nesnenin titreşimlerinin genliği, başka bir nesnenin karşılık gelen titreşimleri nedeniyle arttığında meydana gelir. Bu bağlantıyı bir örnek olmadan hayal etmek zordur.

Rezonans ve ışık dalgaları

Örneğin tipik bir ışık dalgasını alın (bu, güneşten gelen beyaz bir ışık akışıdır) ve onu karanlık bir nesneye yönlendirin, diyelim ki kara bir yılan olsun. Bir sürüngenin derisindeki moleküllerin bir dizi rezonans frekansı vardır. Yani atomlardaki elektronlar belirli frekanslarda titreşme eğilimindedir. Güneşten gelen ışık - Beyaz ışıkçok bileşenli bir frekansa sahiptir.

Bunlar kırmızı ve yeşil, mavi ve sarı, turuncu ve mordur. Bu frekansların her biri yılanın derisini etkiler. Ve her frekans farklı bir elektronun titreşmesine neden olur. Sarı frekans, rezonans frekansı sarı olan elektronlarla rezonansa girer. Mavi frekans, rezonans frekansı mavi olan elektronlarla rezonansa girer. Böylece yılanın derisi bir bütün olarak yankılanır. Güneş ışığı. Yılan siyah görünür çünkü derisi güneş ışığının tüm frekanslarını emer.

Işık dalgaları bir nesneyle rezonansa girdiğinde elektronların büyük genliklerde titreşmesine neden olur. Işık enerjisi nesne tarafından emilir ve insan gözü ışığın geri döndüğünü fark etmez. Nesne siyah görünüyor. Nesne emmezse ne yapmalı Güneş ışığı? Ya elektronlarından hiçbiri ışık frekanslarıyla rezonansa girmezse? Rezonans oluşmazsa, o zaman ışık dalgalarının nesneden iletimini elde edersiniz. Cam güneş ışığını absorbe etmediği için şeffaf görünür.

Işık hala elektronların titreşmesine neden oluyor. Ancak elektronların rezonans frekanslarıyla eşleşmediğinden titreşimler çok küçüktür ve nesnenin tamamı boyunca atomdan atoma yayılır. Rezonansı olmayan bir nesne, cam veya su gibi sıfır emilim ve %100 geçirgenliğe sahip olacaktır.

Müzik ve ses dalgası rezonansı

Rezonans, ışık için olduğu gibi ses için de aynı şekilde çalışır. Bir nesne ikinci bir nesnenin frekansında titreştiğinde, birincisi ikincinin yüksek genlikte titreşmesine neden olur. Akustik rezonans bu şekilde oluşur. Bir örnek herhangi bir müzik aleti çalmak. Trompet, flüt, trombon ve diğer birçok enstrümanın ürettiği müzikten akustik rezonans sorumludur. Bu şaşırtıcı fenomen nasıl çalışıyor? Olumlu etkisi olan rezonansa bir örnek verebilirsiniz.

Org müziğinin çaldığı katedralin içine girdiğinizde tüm duvarın irili ufaklı devasa borularla dolu olduğunu fark edeceksiniz. Bazıları çok kısa, bazıları ise tavana ulaşıyor. Bütün borular ne için? Güzel bir müzik çalmaya başladığında sesin trompetlerden geldiğini, çok yüksek olduğunu ve tüm katedrali doldurmuş gibi olduğunu anlayabilirsiniz. Böyle bir trompet nasıl bu kadar yüksek ses çıkarabilir? Akustik rezonans suçludur ve bu şaşırtıcı olgudan yararlanan tek enstrüman bu değildir.

Ses dalgaları oluşturma

Neler olup bittiğini anlamak için öncelikle sesin havada nasıl yayıldığı hakkında biraz bilgi sahibi olmanız gerekir. Bir şey hava moleküllerinin titreşmesine neden olduğunda ses dalgaları oluşur. Bu titreşim daha sonra her yöne doğru bir dalga gibi hareket eder. Bir dalga havada ilerledikçe moleküllerin birbirine yaklaştırıldığı bölgeler ve moleküllerin birbirinden uzaklaştığı bölgeler vardır. Ardışık sıkıştırma veya genişlemeler arasındaki mesafe dalga boyu olarak bilinir. Frekans, Hertz (Hz) birimleriyle ölçülür ve bir Hertz, saniyede bir dalga sıkıştırma hızına karşılık gelir.

İnsanlar tespit edebilir ses dalgaları 20 ila 20.000 Hz frekanslarla! Ancak hepsi aynı sese sahip değil. Bazı sesler yüksek ve gürültülü, bazıları ise alçak ve derindir. Aslında duyduğunuz şey frekanstaki bir farktır. Peki frekansın dalga boyuyla ilişkisi nedir? Sesin hızı hava sıcaklığına bağlı olarak biraz değişir ancak genellikle 343 m/s civarındadır. Tüm ses dalgaları aynı hızda hareket ettiğinden, dalga boyu arttıkça frekans azalacak, dalga boyu azaldıkça frekans artacaktır.

Zararlı rezonans: örnekler

Çoğu zaman insanlar köprü inşasını ve güvenliğini garanti altına alırlar. Ancak bazen bakış açınızı değiştirmeye zorlayan felaketler yaşanır. 1 Temmuz 1940'ta Washington'da Tacoma Narrows Köprüsü açıldı. Oldu asma köprü kendi zamanına göre dünyanın üçüncü büyüğü. İnşaat sırasında köprü, rüzgarda sallanma ve esneme şekli nedeniyle "Gartie'nin Dörtnala Koşusu" olarak adlandırıldı. Bu dalga benzeri salınım sonuçta onun çöküşüne yol açtı. Köprü, yalnızca dört aylık bir çalışmanın ardından 7 Kasım 1940'ta bir fırtına sırasında çöktü. Rezonans frekansını ve Tacoma Narrows Köprüsü felaketiyle ilişkisini öğrenmeden önce, harmonik hareket denilen şeyi anlamalısınız.

Periyodik olarak ileri geri salınan bir nesneye sahip olduğunuzda, onun bir deneyim yaşadığını söyleriz. harmonik hareket. Bir mükemmel örnek Harmonik hareket yaşayan rezonansın tezahürü, kendisine bir kütle bağlı olan serbest asılı bir yaydır. Kütle, yayın aşağı doğru gerilmesine neden olur ve sonunda yay orijinal şekline geri dönmek üzere büzülür. Bu süreç tekrarlanarak devam ediyor ve yayın harmonik hareket halinde olduğunu söylüyoruz. Tacoma Narrows Köprüsü'nün videosunu izlerseniz yıkılmadan önce sallandığını göreceksiniz. Kendisine bir kütle bağlı olan bir yay gibi harmonik bir hareket yapıyordu.

Rezonans ve salınım

Salıncakta arkadaşınızı bir kez iterseniz birkaç kez salınım yapacak ve bir süre sonra duracaktır. Titreşimin kendiliğinden salındığı bu frekansa doğal frekans denir. Arkadaşınız size her geri döndüğünde onu iterseniz, daha da yükseğe sallanacaktır. Doğal frekansa benzer bir frekansta bastığınızda salınımların genliği artar. Bu davranışa rezonans denir.

Bu kesinlikle faydalı rezonansın bir örneğidir. Diğerlerinin yanı sıra, yiyecekleri ısıtmak mikrodalga fırın, radyo sinyali alan bir radyo alıcısındaki anten, flüt çalıyor.

Aslında pek çok kötü örnek de var. Yüksek sesle cam kırılması, köprü kırılması hafif bir esinti Deprem sırasında binaların çökmesi - bunların hepsi yaşamdaki rezonans örnekleridir ve darbenin gücüne bağlı olarak sadece zararlı değil aynı zamanda tehlikelidir.

Sesin yıkıcı gücü

Pek çok kişi muhtemelen bir opera sanatçısının sesiyle şarap kadehinin kırılabileceğini duymuştur. Bir bardağa kaşıkla hafifçe vurursanız, rezonans frekansında bir zil gibi "çınlayacaktır". Cama belirli bir frekansta ses basıncı uygulandığında cam titremeye başlar. Uyarı devam ettikçe camda titreşim birikir ve mekanik sınırlar aşıldığında cam çöker.

Yararlı ve zararlı rezonans örnekleri her yerdedir. Mikrodalgalar, yiyecekleri dışarıdan ısı kullanmadan ısıtan mikrodalga fırından, ortamdaki titreşimlere kadar her yerdedir. yerkabuğu yıkıcı depremlere yol açmaktadır.