Явление резонанса
Демонстрация затухающих и вынужденных
механических колебаний.
При изучении механического резонанса в курсе общей физики используются демонстрационные опыты, суть которых состоит, как правило, в наблюдении вынужденных колебаний пружинного маят-ника. Однако, получить устойчивые колебания такого маятника в ин-тересующем интервале частот довольно трудно. Не удается, в частнос-ти, достаточно четко показать изменение фазовых соотношений меж-ду вынуждающей силой и смещением маятника при прохождении че-рез резонанс.
Для демонстрации свойств механической колебательной систе-мы можно использовать несложную установку (рис 2). Упругая сталь-ная линейка 1 зажата на одном конце в держателе 2. На другом конце линейки приклеен небольшой керамический магнит 3. Вынужденные колебания свободного конца линейки возбуждаются с помощью элек-тромагнита 4, подключенного к генератору звуковой частоты 5. Ин-дикация колебаний линейки осуществляется с помощью пучка лазер-ного излучения, который отражается от зеркальца 7, приклеенного к линейке. Для сравнения фазы колебаний с фазой вынуждающей силы в установке производится сканирование лазерного пучка в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. Это ска-нирование осуществляется с помощью специального дефлектора. От-ражающее зеркальце 8 в нем приклеено эластичным клеем через лег-кие деревянные брусочки с одного конца к неподвижному ободу диф-фузора электродинамического громкоговорителя 9, а с другого - не-посредственно к диффузору. При подключении громкоговорителя к генератору последовательно с катушкой электромагнита колебания диффузора, происходящие с частотой и фазой вынуждающей силы, преобразуются в гармонические повороты зеркальца 8. Пучок света последовательно отражается от зеркал 7 и 8 и падает на удаленный экран с вертикальной шкалой. Колебания линейки вызывают движе-ние светового пятна на экране по вертикали, повороты зеркальца 8 - по горизонтали. В результате на экране образуется эллипс, ориента-ция осей которого зависит от соотношения фаз в колебаниях линейки и вынуждающей силы. Затухание в колебательной системе регулируе-тся погружением штырька 10, приклеенного к линейке, в кювету 11 с водой.
Демонстрационный эксперимент начинается с показа резонанс-ных свойств колебательной системы. Перестройкой генератора изме-няется частота вынуждающей силы; на некоторой частоте p ампли-туда колебаний резко возрастает. Ширина резонансной линии опре-деляется как разность между частотами 1 > p и2p , при кото-рых амплитуда колебаний составляет 0.7 от максимальной. Перехо-дные процессы нарастания и затухания колебаний в системе наблюда-ются при замыкании и размыкании цепи электромагнита. При этом обнаруживается зависимость характера процесса установления коле-баний от частоты вынуждающей силы. Если совпадает с резонанс-ной частотой (близкой при малом трении к частоте собственных коле-баний), то наблюдается монотонный во времени переходный процесс. Если же соответствует склону резонансной линии, то суперпозиция собственных и вынужденных колебаний приводит к переходному процессу, который графически описан на графике 1.
Затем погружением штырька 10 в воду снижается добротность колебательной системы. Показывается, что это приводит к снижению резонансной частоты, уменьшению амплитуды колебаний и ушире-нию резонансной линии. При демонстрации переходных процессов обращается внимание на то, что при возрастании сопротивления сре-ды не только затухание, но и нарастание колебаний в системе проис-ходят быстрее.
Для исследования фазовых соотношений между вынуждающей силой и деформацией линейки в цепь генератора последовательно с катушкой электромагнита включается громкоговоритель 9. В этом случае луч лазера совершает дополнительные колебания в горизон-тальной плоскости с частотой и фазой вынуждающей силы. При нас-тройке на резонанс световое пятно на экране описывает эллипс. Одна его ось расположена горизонтально, другая - вертикально. Это соот-ветствует разности фаз между вынуждающей силой и смещением, равной/2. При снижении частоты колебаний в пределах резонанс-ной линии ось эллипса отклоняется от вертикали, что соответствует 0 < </2. С ростом частоты ось эллипса отклоняется от вертикали в другую сторону: /2< <.
Заключение.
Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин.
Однако в ряде случаев резонанс - нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений.
Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно уравновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную установку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей установке, ни в ее отдельных частях.
Литература.
1. Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.,физматгиз,1963.
2. Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика.
-М., “Просвещение”, 1978.
3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М.,
“Просвещение”, 1987.
4. Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов.
N1. -М., изд. МПГТУ. 1994.