Ví dụ về biểu hiện của hiện tượng cộng hưởng. Lý thuyết về sự xuất hiện của cộng hưởng, ứng dụng của nó trong cuộc sống

Định nghĩa về khái niệm cộng hưởng (hưởng ứng) trong vật lý được giao cho những kỹ thuật viên đặc biệt có đồ thị thống kê thường gặp hiện tượng này. Ngày nay, cộng hưởng là một phản ứng chọn lọc tần số, trong đó một hệ dao động hoặc một ngoại lực tăng mạnh buộc một hệ khác dao động với biên độ lớn hơn ở một số tần số nhất định.

Nguyên tắc hoạt động

Hiện tượng này được quan sát khi hệ thống có khả năng lưu trữ và dễ dàng truyền năng lượng giữa hai hoặc nhiều chế độ lưu trữ khác nhau như động năng và thế năng. Tuy nhiên, có một số tổn thất từ ​​chu kỳ này sang chu kỳ khác, được gọi là sự suy giảm. Khi dao động tắt dần không đáng kể thì tần số cộng hưởng xấp xỉ bằng tần số riêng của hệ, là tần số của dao động không cưỡng bức.

Những hiện tượng này xảy ra với tất cả các dạng dao động hoặc sóng: cơ học, âm học, điện từ, từ trường hạt nhân (NMR), spin điện tử (EPR) và sự cộng hưởng của các hàm sóng lượng tử. Các hệ thống như vậy có thể được sử dụng để tạo ra các dao động ở một tần số nhất định (ví dụ: nhạc cụ).

Thuật ngữ “cộng hưởng” (từ tiếng Latinh cộng hưởng, “tiếng vang”) xuất phát từ lĩnh vực âm học, đặc biệt được quan sát trong các nhạc cụ, chẳng hạn, khi dây bắt đầu rung và tạo ra âm thanh mà không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi người chơi.

Đẩy một người đàn ông trên xích đu là một ví dụ phổ biến của hiện tượng này. Một con lắc có tải, con lắc có tần số dao động tự nhiên và tần số cộng hưởng biến đổi nhanh hơn hoặc chậm hơn.

Một ví dụ là sự dao động của đạn trong sân chơi, hoạt động giống như một con lắc. Việc ép người trong khi đu ở một khoảng thời gian xoay tự nhiên làm cho cú đánh ngày càng cao (biên độ tối đa), trong khi cố gắng xoay người với tốc độ nhanh hơn hoặc chậm hơn sẽ tạo ra những vòng cung nhỏ hơn. Điều này là do năng lượng được hấp thụ bởi các rung động tăng lên khi các cú sốc khớp với các dao động tự nhiên.

Phản ứng được tìm thấy rộng rãi trong tự nhiên và được sử dụng trong nhiều thiết bị nhân tạo. Đây là cơ chế mà hầu như tất cả các sóng sin và dao động đều được tạo ra. Nhiều âm thanh mà chúng ta nghe thấy, chẳng hạn như khi vật cứng làm bằng kim loại, thủy tinh hoặc gỗ bị va đập, là do vật thể đó dao động ngắn. Ánh sáng và các bức xạ điện từ có bước sóng ngắn khác được tạo ra bởi sự cộng hưởng quy mô nguyên tử, chẳng hạn như các electron trong nguyên tử. Các điều kiện khác mà các đặc tính có lợi của hiện tượng này có thể được áp dụng:

• Cơ chế bấm giờ của đồng hồ hiện đại, bánh xe cân bằng trong đồng hồ cơ và tinh thể thạch anh trong đồng hồ.
• Phản ứng thủy triều của Vịnh Fundy.
• Sự cộng hưởng âm thanh của nhạc cụ và đường âm của con người.
• Sự phá hủy của một ly pha lê dưới ảnh hưởng của giai điệu âm nhạc đúng.
• Những từ ngữ có tính ma sát, chẳng hạn như làm cho một vật bằng thủy tinh (thủy tinh, chai, lọ) rung lên khi dùng đầu ngón tay cọ xát xung quanh cạnh của nó.
• Đáp ứng điện của các mạch điều chỉnh trong radio và TV cho phép thu chọn lọc các tần số vô tuyến.
• Tạo ra ánh sáng kết hợp bằng cộng hưởng quang học trong khoang laze.
• Phản ứng quỹ đạo, được minh họa bởi một số mặt trăng của các khối khí khổng lồ trong hệ mặt trời.

Sự cộng hưởng vật chất trên quy mô nguyên tử là cơ sở của một số phương pháp quang phổ được sử dụng trong vật lý vật chất ngưng tụ, ví dụ:

• Quay điện tử.
• Hiệu ứng Mossbauer.
• Hạt nhân từ.

Các loại hiện tượng

Khi mô tả sự cộng hưởng, G. Galileo chỉ chú ý đến điều quan trọng nhất – khả năng của một hệ dao động cơ học (một con lắc nặng) tích lũy năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài với một tần số nhất định. Biểu hiện của cộng hưởng có một số đặc điểm nhất định trong các hệ thống khác nhau và do đó phân biệt các loại khác nhau của nó.

Cơ học và âm học

Đó là xu hướng của một hệ thống cơ học hấp thụ nhiều năng lượng hơn khi tần số dao động của nó phù hợp với tần số dao động tự nhiên của hệ thống. Điều này có thể dẫn đến biến động giao thông nghiêm trọng và thậm chí là hỏng hóc thảm khốc đối với các cấu trúc chưa hoàn thành, bao gồm cầu, tòa nhà, xe lửa và máy bay. Khi thiết kế các đối tượng, các kỹ sư phải đảm bảo rằng tần số cộng hưởng cơ học của các bộ phận cấu thành không khớp với tần số dao động của động cơ hoặc các bộ phận dao động khác để tránh hiện tượng được gọi là suy giảm cộng hưởng.

cộng hưởng điện

Xảy ra trong mạch điện ở một tần số cộng hưởng nhất định khi tổng trở của mạch cực tiểu trong mạch nối tiếp hoặc cực đại trong mạch song song. Cộng hưởng trong mạch được sử dụng để truyền và nhận thông tin liên lạc không dây như truyền hình, truyền thông di động hoặc vô tuyến.

Cộng hưởng quang học

Khoang quang học, còn được gọi là khoang quang học, là một sự sắp xếp đặc biệt của các gương tạo thành máy cộng hưởng sóng đứng cho sóng ánh sáng. Các hốc quang học là thành phần chính của laser bao quanh môi trường khuếch đại và cung cấp phản hồi của bức xạ laser. Chúng cũng được sử dụng trong bộ dao động tham số quang học và một số giao thoa kế.

Ánh sáng bị giam giữ trong một khoang tái tạo sóng đứng lặp đi lặp lại đối với một số tần số cộng hưởng nhất định. Các mẫu sóng đứng kết quả được gọi là “chế độ”. Các chế độ dọc chỉ khác nhau về tần số, trong khi các chế độ ngang khác nhau đối với các tần số khác nhau và có các dạng cường độ khác nhau trên mặt cắt ngang của chùm tia. Bộ cộng hưởng vòng và phòng trưng bày thì thầm là những ví dụ về bộ cộng hưởng quang học không tạo ra sóng dừng.

Dao động quỹ đạo

Trong cơ học không gian, một phản ứng quỹ đạo phát sinh, khi hai vật thể quay quanh quỹ đạo tác dụng lực hấp dẫn đều đặn, tuần hoàn lên nhau. Điều này thường là do chu kỳ quỹ đạo của chúng liên quan với nhau bằng tỷ số của hai số nguyên nhỏ. Cộng hưởng quỹ đạo làm tăng đáng kể ảnh hưởng hấp dẫn lẫn nhau của các vật thể. Trong hầu hết các trường hợp, điều này dẫn đến một tương tác không ổn định, trong đó các vật thể trao đổi động lượng và chuyển vị cho đến khi cộng hưởng không còn nữa.

Trong một số trường hợp, hệ thống cộng hưởng có thể ổn định và tự điều chỉnh để các cơ quan vẫn trong tình trạng cộng hưởng. Ví dụ như sự cộng hưởng 1: 2: 4 của các mặt trăng Ganymede, Europa và Io của Sao Mộc, và sự cộng hưởng 2: 3 giữa Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương. Sự cộng hưởng không ổn định với các mặt trăng bên trong của Sao Thổ tạo ra những khoảng trống trong các vành đai của Sao Thổ. Một trường hợp đặc biệt của cộng hưởng 1: 1 (giữa các thiên thể có bán kính quỹ đạo tương tự) khiến các thiên thể lớn của Hệ Mặt trời xóa sạch vùng lân cận xung quanh quỹ đạo của chúng, đẩy gần như mọi thứ khác xung quanh chúng ra ngoài.

Nguyên tử, một phần và phân tử

Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là tên gọi của hiện tượng cộng hưởng vật lý gắn liền với việc quan sát các tính chất cơ lượng tử cụ thể của hạt nhân nguyên tử nếu có từ trường ngoài. Nhiều phương pháp khoa học sử dụng hiện tượng NMR để nghiên cứu vật lý phân tử, tinh thể và vật liệu không kết tinh. NMR cũng thường được sử dụng trong các kỹ thuật hình ảnh y tế hiện đại như chụp cộng hưởng từ (MRI).

Lợi ích và tác hại của cộng hưởng

Để đưa ra kết luận về ưu và nhược điểm của hiện tượng cộng hưởng, cần xem xét những trường hợp nào nó có thể biểu hiện một cách tích cực và dễ nhận thấy nhất đối với hoạt động của con người.

Hiệu quả tích cực

Hiện tượng ứng phó được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ.. Ví dụ, hoạt động của nhiều mạch và thiết bị kỹ thuật vô tuyến dựa trên hiện tượng này.

tác động tiêu cực

Tuy nhiên, hiện tượng này không phải lúc nào cũng hữu ích.. Bạn thường có thể tìm thấy tài liệu tham khảo về các trường hợp cầu treo bị gãy khi những người lính bước qua chúng “trong bước”. Đồng thời, chúng đề cập đến biểu hiện của hiệu ứng cộng hưởng của tác động của cộng hưởng, và cuộc chiến chống lại nó trở nên quy mô lớn.

Cộng hưởng chiến đấu

Nhưng bất chấp những hậu quả tai hại đôi khi của hiệu ứng phản ứng, nó là hoàn toàn có thể và cần thiết để chống lại nó. Để tránh sự xuất hiện không mong muốn của hiện tượng này, nó thường được sử dụng hai cách để áp dụng đồng thời sự cộng hưởng và đối phó với nó:

1. Có sự “tách bạch” tần số, trong trường hợp trùng hợp sẽ dẫn đến những hậu quả không mong muốn. Để làm điều này, hãy tăng ma sát của các cơ cấu khác nhau hoặc thay đổi tần số tự nhiên của hệ thống.
2. Chúng làm tăng độ giảm chấn của các rung động, ví dụ, đặt động cơ trên một lớp lót cao su hoặc các lò xo.

“Dao động cơ học và sóng” – Nội dung. Dao động tự do cưỡng bức miễn phí. Rung động cơ học. Các quy luật phản ánh. Sóng. Sự lan truyền dao động từ điểm này sang điểm khác (hạt này sang hạt khác) trong không gian theo thời gian. Tần số chu kì và chu kì dao động lần lượt bằng: Một chất điểm cố định trên một lò xo đàn hồi tuyệt đối.

“Tần số dao động” – Thế nào gọi là âm sắc? Tốc độ âm thanh. Thông thường, chất này là không khí. Siêu âm được sử dụng để phát hiện các khuyết tật khác nhau trong các bộ phận đúc. Mỗi chúng ta đều quen thuộc với hiện tượng âm thanh như tiếng vang. Tốc độ của âm thanh phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền âm. sóng hạ âm.

“Dao động tự do” – Từ định luật Ôm cho một đoạn mạch dòng điện xoay chiều: Từ thông Ф qua mặt phẳng của khung: Phương trình biến đổi điện tích q trên các bản tụ điện theo thời gian: Dao động điện từ tắt dần. Tần số tuần hoàn của dao động điện từ tự do trong mạch: Dao động điện từ tự do.

“Cơ học rung động” – Dao động cơ học và sóng. Bước sóng (?) Là khoảng cách giữa các hạt gần nhất dao động cùng pha. Theo chiều dọc. Bị ép. Đồ thị của dao động điều hòa. Sóng – sự lan truyền dao động trong không gian theo thời gian. Tần số dao động là số dao động hoàn chỉnh trong một đơn vị thời gian.

“Dao động vật lý và sóng” – Hình 53. Đại cương chủ đề Tài liệu nghiên cứu: 1. Vật lý-9 – sách giáo khoa 2. Vật lý-8. tác giả Gromov 3. Vật lý, con người, môi trường. (phần phụ lục SGK). Sau khi học xong chủ đề Sóng và Sóng, các em phải … Sóng và Sóng. Biết: phương trình của dao động điều hòa và xác định được các đặc trưng của dao động: biên độ, chu kì, tần số của dao động; định nghĩa về sóng cơ học, sóng ngang và sóng dọc; các đặc tính của sóng: độ dài, tốc độ; ví dụ về việc sử dụng sóng âm thanh trong công nghệ.

“Dao động điều hòa” – A1 – biên độ của dao động thứ nhất. nhịp đập. Hình học và quang học sóng. Kuznetsov Sergey Ivanovich Phó Giáo sư Khoa Giáo dục Thể chất, ENMF TPU. (2.2.4). Hình 5. Biên độ A của dao động tạo thành phụ thuộc vào sự khác biệt trong các pha ban đầu. Dao động trong antiphase. (2.2.5). Đồ họa; hình học, sử dụng vectơ biên độ (phương pháp giản đồ vectơ).

Tổng cộng có 14 bài thuyết trình trong chủ đề

Nguyên tắc cộng hưởng ảnh hưởng đến sóng âm thanh và ánh sáng như thế nào? Dao động và tần số cộng hưởng của vật là gì? Những ví dụ hàng ngày nào về sự cộng hưởng có thể được tìm thấy trong cuộc sống? Làm thế nào để đập vỡ một cái ly bằng giọng nói của bạn? Nếu bạn quan sát kỹ, bạn có thể thấy các ví dụ về sự cộng hưởng ở khắp mọi nơi. Đây chỉ là một số trong số họ có lợi, trong khi những người khác có hại.

Cộng hưởng là gì?

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào mọi người tạo ra âm nhạc tuyệt vời với những chiếc kính thông thường? Khi kính tiếp xúc với nhiều sóng âm thanh hơn, nó thậm chí có thể bị vỡ. Sóng ánh sáng cũng tương tác theo những cách đặc biệt với các vật thể xung quanh chúng. Hành vi của sóng âm thanh và ánh sáng giải thích tại sao con người nghe được âm thanh của các nhạc cụ và phân biệt được màu sắc. Những thay đổi trong biên độ sóng là do một nguyên tắc quan trọng được gọi là cộng hưởng. Rung động là những ví dụ về ảnh hưởng đến việc truyền âm thanh và ánh sáng.

Sóng âm thanh bắt nguồn từ dao động cơ học trong chất rắn, chất lỏng và chất khí. Sóng ánh sáng sinh ra từ dao động của các hạt mang điện. Các vật thể, hạt mang điện và hệ thống cơ học thường có một tần số cụ thể mà chúng có xu hướng dao động. Đây được gọi là tần số cộng hưởng hoặc tần số tự nhiên của chúng. Một số đối tượng có hai hoặc nhiều tần số cộng hưởng. Một ví dụ về hiện tượng cộng hưởng: khi bạn đang lái xe trên một con đường gập ghềnh và xe của bạn bắt đầu nảy lên và xuống, đây là một ví dụ về việc ô tô của bạn đang rung ở tần số cộng hưởng của nó, hay đúng hơn là tần số cộng hưởng của bộ giảm xóc. Bạn có thể nhận thấy rằng khi bạn đang đi xe buýt, tần số bật lại chậm hơn một chút. Điều này là do bộ giảm chấn của lốp có tần số cộng hưởng thấp hơn.

Khi một sóng âm thanh hoặc sóng ánh sáng chạm vào một vật thể, vật thể đó đã dao động ở một tần số nhất định. Nếu tần số này phù hợp với tần số cộng hưởng của vật thể, thì điều này sẽ khiến bạn bị cộng hưởng. Nó xảy ra khi biên độ dao động của một vật được tăng lên bằng các dao động tương ứng của vật khác. Sự kết nối này rất khó hình dung nếu không có ví dụ.

Cộng hưởng và sóng ánh sáng

Lấy ví dụ, một làn sóng ánh sáng điển hình (đây là một luồng ánh sáng trắng đến từ mặt trời) và gửi nó đến một vật thể tối, hãy cho nó là một con rắn đen. Các phân tử trong da của một loài bò sát có một tập hợp các tần số cộng hưởng. Nghĩa là, các electron trong nguyên tử có xu hướng dao động ở những tần số nhất định. Ánh sáng từ mặt trời chiếu xuống là ánh sáng trắng, có tần số đa phần.

Điều này bao gồm màu đỏ và xanh lá cây, xanh lam và vàng, cam và tím. Mỗi tần số này đều đánh vào da rắn. Và mỗi tần số làm cho một electron khác dao động. Tần số màu vàng cộng hưởng với các điện tử có tần số cộng hưởng màu vàng. Tần số màu xanh lam cộng hưởng với các điện tử có tần số cộng hưởng là màu xanh lam. Do đó, toàn bộ da của con rắn cộng hưởng với ánh sáng mặt trời. Con rắn có màu đen vì da của nó hấp thụ tất cả các tần số của ánh sáng mặt trời.

Khi sóng ánh sáng cộng hưởng với một vật, chúng làm cho các êlectron dao động với biên độ lớn. Năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi vật thể và mắt người không nhận thấy rằng ánh sáng quay trở lại. Vật thể xuất hiện màu đen. Nếu vật đó không hấp thụ ánh sáng mặt trời thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu không có electron nào của nó cộng hưởng với tần số ánh sáng? Nếu không xảy ra hiện tượng cộng hưởng thì bạn sẽ nhận được sự truyền sóng, sự truyền sóng ánh sáng qua vật thể. Kính có vẻ trong suốt vì nó không hấp thụ ánh sáng mặt trời.

Ánh sáng vẫn làm cho các êlectron dao động. Nhưng vì nó không phù hợp với các tần số cộng hưởng của các electron, các dao động rất nhỏ và truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong toàn bộ vật thể. Một vật thể không có cộng hưởng sẽ không có khả năng hấp thụ và truyền 100%, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước.

Âm nhạc và sự cộng hưởng của sóng âm

Cộng hưởng hoạt động theo cùng một cách đối với âm thanh cũng như đối với ánh sáng. Khi một vật dao động cùng tần số với vật thứ hai thì vật thứ nhất làm cho vật thứ hai dao động với biên độ lớn. Đây là cách xảy ra hiện tượng cộng hưởng âm thanh. Một ví dụ là chơi bất kỳ nhạc cụ nào. Cộng hưởng âm thanh là nguyên nhân tạo ra âm nhạc của kèn, sáo, kèn trombone và nhiều nhạc cụ khác. Hiện tượng kỳ thú này hoạt động như thế nào? Bạn có thể đưa ra một ví dụ về sự cộng hưởng, có tác động tích cực.

Đi vào nhà thờ, nơi chơi nhạc organ, bạn sẽ nhận thấy rằng toàn bộ bức tường được lấp đầy bởi những đường ống khổng lồ với đủ kích cỡ. Một số trong số chúng rất ngắn, trong khi một số khác cao đến trần nhà. Tất cả các đường ống để làm gì? Khi bản nhạc tuyệt đẹp bắt đầu vang lên, bạn có thể hiểu rằng âm thanh phát ra từ các đường ống, nó rất lớn và dường như lấp đầy toàn bộ thánh đường. Làm thế nào những đường ống như vậy có thể phát ra âm thanh lớn như vậy? Cộng hưởng âm thanh là điều đáng trách, và nó không phải là nhạc cụ duy nhất sử dụng hiện tượng tuyệt vời này.

Tạo sóng âm thanh

Để hiểu điều gì đang xảy ra, trước tiên bạn cần biết một chút về cách âm thanh truyền trong không khí. Sóng âm thanh được tạo ra khi một cái gì đó làm cho các phân tử không khí dao động. Rung động này sau đó di chuyển như một làn sóng ra ngoài theo mọi hướng. Khi một làn sóng truyền trong không khí, có những khu vực mà các phân tử bị nén lại gần nhau hơn và những khu vực mà các phân tử bị kéo ra xa nhau hơn. Khoảng cách giữa các lần co hoặc giãn liên tiếp được gọi là bước sóng. Tần số được đo bằng đơn vị Hertz (Hz) và một Hertz tương ứng với một tốc độ nén sóng mỗi giây.

Con người có thể phát hiện ra sóng âm thanh có tần số từ 20 đến 20.000 Hz! Tuy nhiên, không phải tất cả chúng đều có âm thanh giống nhau. Một số âm thanh cao và rè, trong khi những âm thanh khác lại trầm và sâu. Những gì bạn thực sự nghe được là sự khác biệt về tần số. Vậy tần số có quan hệ như thế nào với bước sóng? Tốc độ âm thanh thay đổi một chút theo nhiệt độ không khí, nhưng thường vào khoảng 343 m / s. Vì tất cả các sóng âm truyền đi với tốc độ như nhau, tần số sẽ giảm khi bước sóng tăng và tăng khi bước sóng giảm.

Cộng hưởng có hại: ví dụ

Người ta thường coi việc xây cầu và an toàn là điều hiển nhiên. Tuy nhiên, đôi khi những thảm họa xảy ra buộc bạn phải thay đổi quan điểm của mình. Vào ngày 1 tháng 7 năm 1940, Cầu Tacoma-Narrows được khai trương tại Washington. Đó là một cây cầu treo, lớn thứ ba trên thế giới vào thời điểm đó. Trong quá trình xây dựng, cây cầu được đặt biệt danh là “Gertie’s Galloping” do cách nó lắc lư và oằn mình trong gió. Sự dao động nhấp nhô này cuối cùng đã dẫn đến sự sụp đổ của nó. Cây cầu bị sập vào ngày 7 tháng 11 năm 1940 trong một cơn bão, chỉ sau bốn tháng hoạt động. Trước khi tìm hiểu về tần số cộng hưởng và cách nó liên quan đến thảm họa Tacoma-Narrows, trước tiên người ta phải hiểu một thứ gọi là chuyển động điều hòa.

Khi bạn có một vật dao động qua lại theo chu kỳ, chúng ta nói rằng vật đó đang trải qua chuyển động điều hòa. Một ví dụ tuyệt vời về hiện tượng cộng hưởng thể hiện chuyển động điều hòa là một lò xo treo tự do có khối lượng gắn vào nó. Khối lượng làm cho lò xo dãn ra phía dưới cho đến khi cuối cùng lò xo bị nén trở lại hình dạng ban đầu. Quá trình này cứ lặp đi lặp lại và ta nói rằng lò xo đang chuyển động điều hòa. Nếu bạn xem video từ cây cầu Tacoma-Narrows, bạn sẽ thấy rằng nó đã chao đảo trước khi sụp đổ. Nó chuyển động điều hòa giống như một lò xo có khối lượng gắn vào nó.

Cộng hưởng và lắc lư

Nếu bạn đẩy người bạn của mình trên xích đu một lần, họ sẽ dao động vài lần và dừng lại sau một thời gian. Tần số này khi dao động tự phát được gọi là tần số riêng. Nếu bạn thúc đẩy mỗi khi bạn của bạn quay lại với bạn, anh ta sẽ lắc lư ngày càng cao hơn. Bạn nhấn với tần số gần giống với tần số riêng thì biên độ dao động tăng dần. Hành vi này được gọi là cộng hưởng.

Không nghi ngờ gì nữa, đây là một ví dụ về sự cộng hưởng hữu ích. Trong số những người khác, hâm nóng thức ăn trong lò vi sóng, ăng-ten trên máy thu thanh thu tín hiệu radio, thổi sáo.

Trên thực tế, cũng có rất nhiều ví dụ xấu. Vỡ kính với âm thanh chói tai, làm gãy cầu với gió nhẹ, sập các tòa nhà trong trận động đất – đây đều là những ví dụ về sự cộng hưởng trong cuộc sống, không chỉ có hại mà còn nguy hiểm tùy thuộc vào độ mạnh của va chạm.

Sức mạnh hủy diệt của âm thanh

Chắc hẳn nhiều người đã từng nghe nói rằng một ly rượu có thể bị vỡ bằng giọng hát của một ca sĩ opera. Nếu bạn dùng thìa đập nhẹ vào ly, nó sẽ “kêu” như chuông ở tần số cộng hưởng của nó. Nếu thủy tinh chịu tác dụng của âm thanh ở một tần số nhất định thì nó bắt đầu dao động. Khi tiếp tục kích thích, sự rung động trong kính sẽ tích tụ cho đến khi nó sụp đổ khi vượt quá giới hạn cơ học.

Ví dụ về sự cộng hưởng có lợi và có hại ở khắp mọi nơi. Lò vi sóng bao quanh mọi thứ, từ lò vi sóng, nơi hâm nóng thức ăn mà không cần sử dụng nhiệt bên ngoài, đến những rung động của vỏ trái đất, dẫn đến những trận động đất hủy diệt.

Đạt giá trị lớn nhất khi tần số của lực phát bằng tần số riêng của hệ dao động.

Đặc điểm nổi bật của dao động cưỡng bức là sự phụ thuộc của biên độ vào tần số thay đổi của ngoại lực. Để nghiên cứu sự phụ thuộc này, bạn có thể sử dụng cài đặt được hiển thị trong hình:

Một con lắc lò xo được gắn trên một tay quay có tay cầm. Với chuyển động quay đều của tay cầm, tác động của một lực thay đổi theo chu kỳ được truyền đến tải thông qua lò xo. Thay đổi với tần số bằng tần số quay của tay cầm, lực này sẽ làm cho tải tạo ra dao động cưỡng bức. Nếu bạn quay tay quay rất chậm, thì tải trọng cùng với lò xo sẽ ​​chuyển động lên xuống cùng phương với điểm treo. O. Khi đó biên độ của dao động cưỡng bức sẽ nhỏ. Khi quay nhanh hơn, tải sẽ bắt đầu dao động mạnh hơn và với tần số quay bằng tần số riêng của con lắc lò xo ( ω = ω sự kiện) thì biên độ dao động của nó sẽ đạt cực đại. Khi tần số quay của tay cầm tăng hơn nữa, biên độ của dao động cưỡng bức của tải sẽ lại trở nên nhỏ hơn. Tay cầm quay rất nhanh sẽ làm cho tải gần như bất động: do quán tính của nó, con lắc lò xo, không có thời gian để theo dõi sự thay đổi của ngoại lực, sẽ chỉ dao động tại chỗ.

Hiện tượng cộng hưởng cũng có thể được chứng minh với con lắc sợi chỉ. Hãy treo một quả cầu lớn 1 và một số con lắc bằng các sợi chỉ có độ dài khác nhau trên một thanh ray. Mỗi con lắc có tần số dao động riêng, tần số dao động này có thể được xác định khi biết chiều dài của sợi dây và gia tốc do trọng trường.

Bây giờ, không chạm vào con lắc nhẹ, ta đưa quả cầu 1 ra khỏi vị trí cân bằng rồi buông nhẹ. Sự lắc lư của một quả cầu khối lượng lớn sẽ gây ra các dao động tuần hoàn của đường ray, do đó một lực đàn hồi thay đổi theo chu kỳ sẽ bắt đầu tác dụng lên mỗi con lắc nhẹ. Tần số thay đổi của nó sẽ bằng tần số dao động của quả cầu. Dưới tác dụng của lực này, các con lắc sẽ bắt đầu dao động cưỡng bức. Trong trường hợp này, con lắc 2 và 3 sẽ gần như bất động. Mặt dây 4 và 5 sẽ dao động với biên độ lớn hơn một chút. Và tại con lắc b, sợi dây có cùng chiều dài và do đó, tần số riêng của dao động của quả cầu 1, biên độ sẽ cực đại. Đây là sự cộng hưởng.

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra do một ngoại lực tác động đúng lúc với dao động tự do của cơ thể, mọi lúc đều dương. Do công này mà năng lượng của vật dao động tăng lên, biên độ dao động tăng lên.

Biên độ dao động cưỡng bức tăng mạnh tại ω = ω sự kiện triệu tập cộng hưởng.

Sự thay đổi biên độ của dao động phụ thuộc vào tần số ở cùng biên độ của ngoại lực, nhưng ở các hệ số ma sát khác nhau và, được thể hiện trong hình dưới đây, trong đó đường cong 1 tương ứng với giá trị nhỏ nhất của và, đường cong 3 – của tối đa.

Qua hình vẽ có thể thấy rằng nói về hiện tượng cộng hưởng là hợp lý nếu dao động tắt dần của dao động tự do trong hệ là nhỏ. Ngược lại, biên độ của dao động cưỡng bức ở ω = ω 0
khác ít so với biên độ dao động ở các tần số khác.

Hiện tượng cộng hưởng trong cuộc sống và công nghệ.

Hiện tượng cộng hưởng có thể đóng vai trò tích cực và tiêu cực.

Chẳng hạn, người ta biết rằng ngay cả một đứa trẻ cũng có thể xoay được “cái lưỡi” nặng của một chiếc chuông lớn, nhưng với điều kiện là nó phải kéo dây đúng lúc với những rung động tự do của “cái lưỡi”.

Hoạt động của máy đo tần số sậy dựa trên việc sử dụng cộng hưởng. Thiết bị này là một tập hợp các tấm đàn hồi có độ dài khác nhau được cố định trên một đế chung. Đã biết tần số riêng của mỗi tấm. Khi máy đo tần số tiếp xúc với hệ dao động cần xác định tần số thì bản đó bắt đầu dao động với biên độ lớn nhất, tần số trùng với tần số đo được. Bằng cách để ý xem tấm nào đang cộng hưởng, ta xác định được tần số dao động của hệ.

Hiện tượng cộng hưởng cũng có thể gặp phải khi hoàn toàn không mong muốn. Ví dụ, vào năm 1750, gần thành phố Angers của Pháp, một đội binh lính đã bước qua một cây cầu dây xích dài 102 m. Tần số bước của chúng trùng với tần số dao động tự do của cầu. Do đó, biên độ dao động của cây cầu tăng mạnh (cộng hưởng được thiết lập), và các mạch bị đứt. Cây cầu bị sập xuống sông.

Vào năm 1830, vì lý do tương tự, một cây cầu treo gần Manchester, Anh, đã bị sập khi một đội quân đội đang diễu hành trên nó.

Năm 1906, do cộng hưởng, cây cầu Ai Cập ở St.Petersburg bị sập, theo đó một đội kỵ binh đi qua.

Bây giờ, để ngăn chặn những trường hợp như vậy, các đơn vị quân đội được lệnh “khuỵu chân” khi đi qua cầu, không phải tham chiến mà là bước tự do.

Nếu một đoàn tàu đi qua cầu, thì để tránh cộng hưởng, nó sẽ đi qua cầu với tốc độ chậm hoặc ngược lại với tốc độ tối đa (sao cho tần số va đập của các bánh xe vào các khớp nối ray không thành bằng tần số riêng của cầu).

Bản thân ô tô (dao động điều hòa trên lò xo) cũng có tần số riêng. Khi tần số va chạm của các bánh xe tại chỗ tiếp giáp của đường ray bằng với nó thì ô tô bắt đầu lắc lư mạnh.

Hiện tượng cộng hưởng không chỉ xảy ra trên đất liền mà còn xảy ra trên biển, thậm chí cả trên không. Vì vậy, ví dụ, ở một số tần số nhất định của trục chân vịt, toàn bộ con tàu bắt đầu cộng hưởng. Và vào buổi bình minh của sự phát triển của ngành hàng không, một số động cơ máy bay đã gây ra những rung động cộng hưởng mạnh đến mức các bộ phận của máy bay bị vỡ ra trong không khí.

Khi xây dựng cầu, các kỹ sư chỉ tính đến áp lực của trọng lượng người băng qua và hàng hóa vận chuyển. Nhưng những thảm họa bất ngờ đã chứng minh rằng trong việc xây dựng cầu người ta cũng phải tính đến một số ảnh hưởng khác đến dầm của chúng.

Một lần, một toán lính đi ngang qua một cây cầu treo gần Angers (Pháp), người này rõ ràng đã đánh bật ra một bước, đồng thời đập xuống sàn bằng chân phải và sau đó là chân trái. Dưới những cú đánh của chân, cây cầu khẽ lắc lư, nhưng bất ngờ dây xích chống đỡ bị đứt, cây cầu cùng với người dân đổ sập xuống sông. Hơn hai trăm người chết.

Dư luận đã phẫn nộ. Những người xây dựng cây cầu bị buộc tội tính toán cẩu thả, tiết kiệm kim loại đến mức không thể chấp nhận được … Các kỹ sư bối rối: điều gì đã gây ra sự cố đứt dây xích của cây cầu vốn đã tồn tại vài thập kỷ?

Như mọi khi, cuộc tranh cãi bắt đầu. Các học viên cũ, không do dự hồi lâu, cho rằng dây xích đã gỉ và không thể chịu được sức nặng của binh lính.

Tuy nhiên, việc kiểm tra các dây chuyền bị đứt không hỗ trợ cho lời giải thích này. Kim loại không bị gỉ sét làm hư hỏng sâu. Mặt cắt của các liên kết cung cấp biên độ an toàn cần thiết.

Vì vậy sau đó không thể tìm ra nguyên nhân sập cầu.

Vài thập kỷ trôi qua, một thảm họa tương tự lặp lại ở St.

Đơn vị kỵ binh vượt cầu Ai Cập bắc qua Fontanka. Ngựa được huấn luyện theo bước nhịp nhàng đập vó ngựa cùng một lúc. Cây cầu khẽ lắc lư đúng lúc với những cú đánh. Đột nhiên, dây xích hỗ trợ cây cầu bị đứt, và anh ta cùng với những người đi xe, gục xuống sông.

Những cuộc tranh chấp bị lãng quên lại bùng lên. Cần phải giải quyết nguyên nhân bí ẩn của những thảm họa như vậy để chúng không xảy ra nữa. Rốt cuộc, các cây cầu đã được tính toán chính xác. Những sợi xích phải chịu được tải trọng lớn gấp mấy lần trọng lượng của người và ngựa qua cầu.

Lực nào đã phá vỡ liên kết của các mắc xích?

Một số kỹ sư đoán rằng sự cố sập cầu là do nhịp điệu tác động lên mặt cầu.

Nhưng tại sao thảm họa lại xảy ra với cầu treo? Tại sao các đơn vị bộ binh và kỵ binh có thể vượt qua cầu dầm thông thường một cách an toàn?

Câu trả lời cho những câu hỏi này chỉ có thể được đưa ra bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của các cú sốc với các thiết kế cầu khác nhau.

Chùm của một cây cầu treo có thể được so sánh như một tấm ván được đặt với các đầu của nó trên các giá đỡ. Khi một cậu bé bật lên, tấm ván sẽ uốn cong lên và xuống. Nếu bạn đến kịp với những dao động này, thì phạm vi của nó sẽ ngày càng lớn hơn cho đến khi tấm ván cuối cùng bị vỡ.

Các dầm cầu treo cũng có thể dao động, mặc dù điều này ít được chú ý bằng mắt. Cây cầu gần Angers dao động với chu kỳ khoảng 1,5 giây. Khi những người lính đi dọc theo nó, nhịp bước của họ vô tình rơi vào đúng lúc với dao động tự nhiên của các chùm tia của nó. Những chiếc xích đu ngày một lớn hơn. Cuối cùng, xiềng xích không thể chịu đựng được và bị đứt.

Sự trùng hợp giữa chu kỳ dao động của vật thể với khoảng thời gian giữa các cú sốc kích thích chúng được gọi là hiện tượng cộng hưởng.

Một thí nghiệm rất thú vị minh họa hiện tượng cộng hưởng đã được Galileo thực hiện vào thời của ông. Treo một con lắc nặng, anh ta bắt đầu thở vào nó, cố gắng sao cho khoảng thời gian giữa các lần thở ra trùng với thời gian dao động riêng của con lắc. Mỗi lần thở ra tạo ra một lực đẩy hoàn toàn không thể nhận thấy. Tuy nhiên, tích lũy dần dần, tác động của những cú sốc này đã làm rung chuyển con lắc nặng.

Hiện tượng cộng hưởng thường gặp trong công nghệ. Ví dụ, nó có thể phát sinh khi một đoàn tàu đi qua cầu dầm. Khi các bánh xe của đầu máy hơi nước hoặc các toa xe gặp các khớp của đường ray, chúng sẽ tạo ra lực đẩy truyền tới các thanh dầm. Trong chùm tia bắt đầu dao động với một tần số nhất định. Nếu chấn động trùng với dao động của chùm tia, thì hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm sẽ phát sinh.

Để tránh hiện tượng này, các kỹ sư thiết kế cầu sao cho chu kỳ dao động tự nhiên của chúng rất ngắn. Trong trường hợp này, khoảng thời gian mà Bánh xe chạy từ khớp này sang khớp khác lớn hơn chu kỳ dao động của dầm và cộng hưởng? không thể.

Kết quả của sự cộng hưởng, một con tàu chở nặng cũng có thể lắc lư khi sóng yếu.

Sự cân bằng của con tàu phụ thuộc vào vị trí tương đối của trọng tâm và cái gọi là tâm áp suất. Nước ép từ mọi phía lên phần cơ thể được ngâm trong đó. Tất cả các lực ép có thể được thay thế bằng một kết quả. Nó được gắn vào trọng tâm của vùng nước đã dời và hướng thẳng lên trên. Điểm ứng dụng của nó là tâm của áp suất. Nó thường nằm phía trên trọng tâm.

Miễn là thân tàu được giữ ngang bằng, trọng lực và áp suất đối ngược nhau và cân bằng với nhau. Nhưng nếu con tàu nghiêng vì một lý do nào đó, thì tâm của áp suất sẽ dịch chuyển sang một bên. Bây giờ hai lực tác động lên nó – trọng lực và áp suất. Họ tìm cách sửa lại vị trí của con tàu. Kết quả là con tàu sẽ lao thẳng lên và theo quán tính, con tàu sẽ lắc lư theo hướng khác.

Vì vậy, nó sẽ bắt đầu dao động giống như một con lắc. Đây là các dao động riêng của con tàu, phát sinh dưới tác động của các chấn động sóng trên tàu. Nếu những cú đánh này chạm vào độ nghiêng của tàu, thì độ lắc của tàu sẽ tăng lên. Việc dốc bình có thể trở nên nguy hiểm và thậm chí gây ra cái chết cho nó.

Một thảm họa như vậy đã xảy ra với thiết giáp hạm Anh Kepten, được hạ thủy vào năm 1870.

Con tàu này được bọc trong lớp giáp thép dày. Pháo đài được lắp trong các tháp hạng nặng thấp của chiến hạm. Thủy thủ đoàn gồm 550 thủy thủ và sĩ quan. Người ta cho rằng Kepten sẽ là một trong những thiết giáp hạm đáng gờm nhất của hạm đội Anh.

Lớp giáp thép dày, được bọc trên bề mặt thân tàu, các tháp hạng nặng và các loại pháo uy lực đã nâng trọng tâm lên quá mức. Ngay trong cơn bão đầu tiên, chiếc thiết giáp hạm bị chao đảo nặng nề, nằm nghiêng, lật úp với phần mũi và chìm xuống đáy. Chỉ một vài người trong đội của anh ta trốn thoát được.