Что такое резонанс — его виды (звуковой, когнитивный), а также польза и опасность резонанса

Обновлено 23 июля 2022 498 Автор: Дмитрий Петров
Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Еще в школе на уроке физики мы изучали, что такое резонанс. Но, к сожалению, не всегда эти знания подавались в форме способствующей усвоению.

Поэтому сегодня я хочу очень коротко напомнить вам что есть такое резонанс, как он возникает и какие виды резонанса (и не только в области физики) различают.

Ну и, конечно же, все это будет рассказано максимально простыми словам на понятных всем примерах. Будет интересно, не переключайтесь…

Резонанс — это…

Впервые понятие резонанса было введено в 16 веке Галилио Галеем, когда он занимался исследованием работы маятников и музыкальных струн.

В переводе с латинского слово «резонанс» буквально означает «откликаюсь» и представляет собой физическое явление, при котором собственные колебательные движения становятся вынужденными, увеличивают свою амплитуду, отвечая, таким образом, на воздействия окружающей среды.

Простыми словами резонанс – это отклик на некий раздражитель извне. Это синхронизация частот колебаний (количество колебаний в одну секунду) некой системы и воздействующей на нее внешней силы, что влечет за собой рост амплитуды колебаний данной системы.

Резонанс можно описать следующим образом:

1. представьте некое физическое тело, которое находится либо в состоянии абсолютного покоя, либо совершает амплитудные движения определенной частоты;
2. на это тело вдруг начинает оказывать воздействие некая внешняя сила, имеющая собственную амплитуду и частоту;
3. если частоты тела и внешней силы совпадают, то амплитуда тела станет расти.

Например, всем известно, как «работают» качели. Сначала вы делаете резкий толчок ногами от земли, и качели начинают двигаться вперед-назад. Если не вмешиваться в этот процесс, то через некоторое время они остановятся.

Но если, сидя на них, подстроиться под их движение всем телом (не быстрее и не медленнее), то амплитуда движений качелей начнет расти сама по себе. В данном случае вы, а точнее ваши движения, являются внешним воздействием, вынуждающей силой, с помощью которой качели взлетают выше.

Даже самое небольшое внешнее воздействие способно увеличить амплитуду движений некой системы в очень много раз при совпадении их частот. Из примера с качелями: маленький ребенок может раскачать взрослого даже с очень большим весом, если подстроится под движение качелей.

Чтобы лучше понять, что такое резонанс, обратимся к его антониму. Им является слово «диссонанс» (от латинского «разногласящий»), что означает несовпадение, несоответствие.

Снова возьмем в пример качели: если начать резко и хаотично их дергать туда-сюда, то плавные, раскачивающие колебания вскоре сойдут на нет и качели остановятся. Еще один простой пример: если летом вы выйдете на улицу в шубе, это будет диссонанс, так как погода не соответствует вашему наряду.

Расчет резонансного контура

Необходимо помнить, что явление, представленное токовым резонансом, нуждается в очень грамотном и тщательном расчете резонансного контура. Особенно важно выполнить правильный и точный расчет при наличии параллельного соединения, что позволит предотвратить развитие помех внутри системы. Чтобы расчет был правильным, требуется определиться с показателями мощности электрической сети. Среднюю стандартную мощность, которая рассеивается в условиях резонансного контура, можно выразить среднеквадратичными показателями тока и напряжения.

В условиях резонанса стандартный коэффициент мощности составляет единицу, а формула расчета имеет вид:

Формула расчета

С целью правильного определения нулевого импеданса в условиях резонанса потребуется использовать стандартную формулу:

Резонансные кривые

Резонанс колебательной частоты аппроксимируется по следующей формуле:

Резонанс колебательного контура

Чтобы получить максимально точные данныепо формулам, все получаемые в процессе расчетов значения рекомендуется не подвергать округлению. Некоторыми физиками расчеты значений резонансного контура осуществляются в соответствии с методом векторной диаграммы активных токовых величин. В таком случае грамотный расчет и правильная настройка приборов гарантирует достойную экономию при условии переменного тока.

Резонансные цепи применяются преимущественно для выделения сигнала на нужных частотах в результате фильтрования других сигналов, поэтому самостоятельные расчеты контура должны быть предельно точными.

Добротность

В любой физической колебательной системе можно измерить степень ее отзывчивости – величину, которая называется добротностью и представляет собой уровень интенсивности отклика.

Разные показатели этой величины приводят к различным последствиям:

1. При низкой степени добротности (или отклика) существующая система неспособна сохранять вынужденные колебания долгое время и постепенно возвратится к собственным колебаниям;
2. Высокая добротность в некоторых случаях может быть опасной, так как напряженный резонанс обязательно приведет к разрушению физического тела, на которое производится воздействие извне.
   Например, если не просто стоять на середине доски, перекинутой через широкую реку, а совершать раскачивающие ее движения (вверх-вниз), то, скорее всего, вскоре вы окажитесь в воде, так как доска сломается в той точке, где вы находились.

Применение

Практически вся силовая электротехника использует именно такой колебательный контур, скажем, силовой трансформатор. Также схема необходима для настройки работы телевизора, емкостного генератора, сварочного аппарата, радиоприемника, её применяет технология «согласование» антенн телевещания, где нужно выбрать узкий диапазон частот некоторых используемых волн. Схема RLC может быть использована в качестве полосового, режекторного фильтра, для датчиков для распределения нижних или верхних частот.

Будет интересно➡ Тепловое реле для электродвигателя

Резонанс даже использует эстетическая медицина (микротоковая терапия), и биорезонансная диагностика.

Виды и примеры резонанса

Феномен резонанса по праву принадлежит физике,так как был открыт ею и изначально описывал только физические явления.

Однако, на сегодняшний день этим понятием пользуются в самых разных сферах жизнедеятельности.

В связи с этим можно выделить его разные виды:

1. Механический – выше упомянутые качели, раскачивание колокольного «языка», резонанс моста от проезжающего поезда или солдат, идущих по нему «в ногу» и т.п.
2. Акустический – примером может послужить звуковой резонанс, используемый в игре на музыкальных инструментах, таких как: гитара, балалайка, лютня.

   
   У всех них есть корпус и придуман он не просто так: звук, который издает струна, когда ее щипают, попадает внутрь корпуса. Там он резонирует со стенками, что приводит к его усилению. Поэтому качество звука напрямую зависит от качества материала, из которого сделан инструмент и даже от лака, которым он был покрыт.

   Читайте также:  Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление
3. Электрический – совпадение частоты внешнего напряжения с частотой собственных колебаний электрической цепи, по которой течет ток.
4. Общественный – яркий отклик общественности на событие, явление или ситуацию. Речь идет о реакции, которая оказалась схожей у основной массы людей. Например, пенсионная реформа 2022 года вызвала громкий, резкий, негативный резонанс у граждан нашей страны.
5. Когнитивный резонанс – совпадение во взглядах, мнениях. Например, вы с кем-то познакомились: в итоге у вас остается положительное впечатление о человеке. Почему именно так?
   Все дело в том, в процессе беседы вы нашли с ним много общего, его ценности и суждения оказались вам близки, отсюда и симпатия, являющаяся следствием резонанса. С философской точки зрения, феномен определяется, как единомыслие двух душ в чувственном контексте.

Мобильные телефоны, микроволновая печь, телевизор, эхо в горах, звучное пение в ванной комнате – везде присутствует рассматриваемый феномен.

Что это такое

Резонанс токов — разновидность состояния электрической цепи, когда общий вид токовых показателей совпадает по фазам уровню напряжения, а мощность реактивного вида равна нулю или же она представлена в активном виде.

. Резонанс токов

Этот вариант развития событий характерен для переменного тока и имеет не только положительные свойства, но и некоторые нежелательные последствия. Так, благодаря резонансу работает радиотехника, автоматика и проволочная телефония, но в то же время возникают перенапряжения и сбои в работе электрической системы.

Определение из учебного пособия

Таинственный дом

В «Рассказах о старой Москве» А. Вьюркова описывается звучащий страшным голосом дом. Главный герой произведения Иван Павлович решил разбогатеть обманным путем. Он нанял бригаду каменщиков, чтобы те построили ему доходный дом, и не заплатил им всей обещанной суммы. Вскоре арендаторы стали один за другим покидать гостиницу, потому что были напуганы нечистой силой, которая выла нечеловеческим голосом. Иван Павлович обратился в полицию, и городовые остались в засаде на ночь. Их постигла та же участь, что и квартиросъемщиков. В пустых комнатах раздавались жуткие вздохи и вой. Стражи порядка в ужасе покинули здание со страшным домовым.

Иван Павлович остался без денег и без жильцов. Ему нечем было выплачивать проценты по кредиту, поэтому имущество и его самого арестовали. По прошествии времени один из подрядчиков раскрыл Ивану Павловичу секрет мистического дома. Оказывается, что обманутые рабочие решили отомстить: они замуровали в стену пустые бутылки, которые звучали при каждом порыве ветра, пугая постояльцев.

От чего зависит звучание

Чем больше разнятся скорости звука в воздухе и камне, тем лучше отражение. Так, в граните звук расходится со скоростью 4×103 м/с, в воздухе — 3,3×102 м/с. Следовательно, в воздух выйдет незначительное количество энергии, а основная часть будет «закрыта» внутри камня. «Поющая» глыба лежит на других камнях, у нее слабая акустическая связь с землей, ведь она касается грунта лишь в нескольких местах. Получается, что звук не может выйти в землю. Подобные предметы, способные заключить внутри себя колебательную энергию, называются резонаторами. Что же происходит в середине «поющего» камня при ударе? Волны множество раз отражаются от его стенок, уменьшаются или увеличиваются при звуковом резонансе. Усиление бывает тогда, когда волна, отразившись, возвращается в той же фазе, в которой она начинала свой пробег.

Помещение как резонатор

Качество звучания в помещении особенно важно для театров, филармоний. Есть даже особый раздел акустики — архитектурная акустика. Она решает проблемы проектирования залов с хорошей слышимостью. «Правильное» помещение и само является резонатором. Подобные залы имеют округлые потолок и стены, благодаря чему звук доходит до каждого зрителя, слушателя.

Надо заметить, что форма помещения — вогнутая, а не выпуклая. Последняя не подходит, т. к. при отражении волны под углом большая часть звука рассеивается и не возвращается. При вогнутой форме стен звук возвращается почти по той же траектории, что и распространяется, т. е. доходит до каждой точки зала практически без потерь.

Музыкальные инструменты

Гитарная или скрипичная струна сама по себе звучит не очень громко и вряд ли будет слышна в концертном зале. Звук во много раз усиливается благодаря корпусу инструмента — резонатору. И раструб духовых инструментов, и корпус струнных, клавишных инструментов — например, дека рояля, являются резонаторами. Они собирают слабые звуки и увеличивают их амплитудой основной звук (по принципу качели). В результате инструмент звучит громко, а еще от резонатора зависят тембр, глубина, мягкость или резкость тона.

Отражение звука

Звуковой резонанс возможен благодаря отражению волны. Рассмотрим это свойство звука подробнее. Акустическая волна, добежав до препятствия, которым может быть любое тело, возвращается назад. Знакомое всем эхо — это и есть волна, отраженная от удаленного предмета. Почему удаленного? Дело в том, что препятствие должно располагаться достаточно далеко, чтобы человек мог отличить звук от источника и отраженный звук. Так, в помещении средних размеров, например, в комнате квартиры, эха не будет. Все потому, что время, через которое волна, отразившись от стен, возвращается, слишком мало. Несмотря на это, отчетливо слышно, что звук гулкий, громкий.

Если завесить все стены коврами или покрыть другими звукоизолирующими материалами, звук станет глухим, сухим, даже неприятным. В случаях, когда важна звонкость, нужно позаботиться о том, от чего будет отражаться акустическая волна. Звукового резонанса без этого не будет.

«Поющий» камень

Недалеко от Баку, столицы Азербайджана, есть пустыня со знаменитым «поющим» камнем. Он настолько известен, что получил имя — «Каменный бубен». Эта удивительная глыба имеет свойство: если ударить по ней камнем, то звук получается такой же громкий и чистый, как у колокола. Как же физика объясняет этот пример звукового резонанса?

Удар приводит к краткосрочной деформации — тут же от точки столкновения во все стороны бегут звуковые волны. На скорость их расхождения размеры камня не влияют. Однако волна может свободно распространяться только в неограниченном пространстве. А ведь мы знаем, что камень и воздух имеют границы (там, где они соприкасаются). Когда волна добегает до рубежа, она частично проходит в другую среду — из камня в воздух. Оставшаяся часть акустической энергии отражается в обратном направлении.