Что такое резонанс и когда возникает
. Примеры и виды явления
Термин «резонанс» происходит от латинского слова, означающего отклик или эхо
Резонанс — это удивительное сложное явление, с которым люди сталкиваются ежедневно. Его принципы заложены в работе бытовой техники и смартфонов, медицинских приборов и музыкальных инструментов. Рассказываем, что такое резонанс, как он возникает и каким бывает.
Что такое резонанс
Резонанс — это явление, когда объект колеблется на собственной частоте, достигая максимальной амплитуды от воздействия внешней силы с аналогичной частотой [1]. Один из наглядных примеров того, как работает резонанс, — качели. Если толкать их в определенный момент, то постепенно размах увеличится и качели будут взлетать все выше. В какой-то момент амплитуда достигнет максимума, а прикладываемое усилие станет минимальным. Достаточно слегка подталкивать пальцем качели в нужный такт, чтобы они продолжали движение вперед и назад. Это и есть резонанс. Если перестать это делать или сбить ритм (начать толкать в другой момент), то амплитуда уменьшится, а затем качели остановятся.
Одним из первых резонанс описал в начале XVII века Галилео Галилей при изучении динамики маятников [2]. Ученый пришел к выводу, что привести в движение можно даже тяжелую систему, если прикладывать силу в соответствующий ее раскачиванию момент. Таким образом, Галилео обратил внимание на один важный момент явления резонанса — способность объекта накапливать энергию, проводимую внешним источником с конкретной частотой.
Впоследствии наука узнала гораздо больше о резонансе. Например, что он возникает в механических, акустических и электрических системах. А частота, на которой возможен резонанс, для каждого объекта своя и зависит в том числе от его физических свойств (размера, материала, веса). В целом явление резонанса очень распространено в природе и технике. Люди сталкиваются с ним ежедневно: этот принцип заложен в работе ТВ-антенн, телефонов, микроволновок, благодаря ему мы слышим разное звучание музыкальных инструментов.
Но сила резонанса двояка. Он работает как на пользу, например медицинские магнитно-резонансные томографы, так и во вред. Один из таких примеров — марширующие «в ногу» солдаты на подвесном мосту. Если частота их шага совпадет с собственной частотой колебаний моста, то возникший резонанс может разрушить постройку полностью.
Примеры резонанса
Человек сталкивается с резонансом во всех сферах жизни. Более того, без него люди не могли бы слышать голоса друг друга. Звуки, которые произносит человек, появляются благодаря органам-резонаторам, например полости носа, рта и глотки [3]. Вот еще несколько примеров явления резонанса в повседневной жизни [4]:
- Микроволновая печь. Энергия, создаваемая микроволнами, подогревает пищу, поскольку их частота соответствует резонансной частоте молекул в пище (например, молекул воды и жиров). Это приводит к их колебаниям и выделению тепла.
- Антенна телевизора, радиоантенна. Когда вы «настраиваете» антенну на определенную частоту, вы тем самым устанавливаете резонансную частоту для конкретного устройства. При совпадении частоты антенны с частотой сигнала, поступающего извне, происходит резонанс, и телевизор или радио способны «принимать» этот сигнал.
- Музыкальные инструменты. Каждая струна гитары имеет свою собственную резонансную частоту. Когда по ним играют, образуемые звуковые волны резонируют в полости инструмента (акустической гитары), увеличивая громкость звучания. В духовых инструментах за резонанс отвечает специальный «язычок», который вибрирует, когда через него проходит воздух.
Виды резонанса
Резонанс бывает разным, но во всех случаях он действует по одному и тому же принципу. В зависимости от типа системы выделяют несколько видов, вот некоторые из них:
Механический
Возникает в механических системах, когда частота вибраций совпадает с частотой внешнего источника. К ним относятся пружины, маятники, вибрации двигателей, станков, валов и многое другое. Раскачивающиеся качели — это пример механического резонанса [5].
Акустический
Акустический резонанс происходит, когда звуковые волны воздействуют на объект или систему, заставляя его вибрировать на своей собственной частоте. Когда скрипач проводит смычком по струнам, звуковые волны начинают резонировать внутри корпуса инструмента [6].
Электрический
Возникает, когда электрическая цепь колеблется на своей собственной частоте. Этот эффект нашел применение во многих областях. Например, на электрическом резонансе строится радиовещание или работа электрогитары, в которых это явление используют для усиления сигналов [7].
Ядерный магнитный
Связан с поглощением электромагнитной энергии [8]. Одно из применений этого явления — магнитно-резонансная томография (МРТ). Процедура основана на сложной технологии, которая возбуждает и заставляет колебаться протоны, находящиеся в живых тканях [9].
Условия резонанса
Резонанс возникает при определенных условиях. В зависимости от типа системы они могут отличаться, но в самом общем виде важно наличие как минимум трех условий:
- Собственная частота системы. Система должна иметь определенную собственную частоту колебаний, которая зависит от физических параметров, таких как масса, размер и жесткость.
- Внешний источник колебаний. Необходимо наличие внешнего источника, который может воздействовать на систему с периодическими колебаниями. Частота этого источника должна совпадать или быть близкой к собственной частоте системы.
- Достаточная энергия. Внешний источник должен передавать достаточно энергии системе, для того чтобы она могла достигать значительных амплитуд колебаний.
