Резонанс - определение, условия и применение физического явления

Колебания: частота и амплитуда

Появление резонанса неразрывно связано с колебаниями, то есть с процессом изменений состояния какой-нибудь системы, который повторяется во времени и происходит около определённой точки равновесия, периодически отклоняясь то в сторону со знаком «минус», то в противоположную — со знаком «плюс». При этом не важна природа самой колебательной системы и место её нахождения, а важно лишь наличие исходной точки состояния, к которой она возвращается через строго определённый промежуток времени. Это могут быть механические колебания, периодические изменения значения силы электрического тока в цепи, звук и так далее.

Основными характеристиками колебательной системы являются амплитуда (максимальное отклонение от положения равновесия) и частота (количество повторений движений системы за единицу времени). И эти величины играют главную роль как в описании самого явления, так и в условии резонанса.

Суть явления

Впервые применение резонанса в виде примера встречается в работах итальянского учёного и техника Торричелли, жившего в Средние века. А точное определение этому явлению, связанному с вынужденными колебаниями, первым дал Галилео Галилей в трактате о маятниках и музыкальных струнах. Объяснение же природы электромагнитного резонанса принадлежит основоположнику современной электродинамики Генри Максвеллу.

Механический аспект

В качестве простейшего примера для описания механического резонанса можно привести раскачивание детских качелей. Амплитудой в этом случае будет наибольшая высота подъёма качели над уровнем горизонта, а частотой — количество прохождений самой низкой точки за 1 секунду.

Запущенные качели, представляя собой колебательную систему, имеют собственную частоту и начальную амплитуду, увеличить которую можно довольно легко, если толкать качели с частотой, совпадающей с их собственной. Усилия, прикладываемые в этом случае, не имеют решающего значения. На увеличение высоты подъёма будет влиять в большей степени совпадение частот колебаний качелей и периодичности внешнего воздействия.

Если толчки производить не периодично или с частотой, сильно отличающейся от периодичности движений самой системы, то результат будет совершенно противоположным. Качели не увеличат амплитуду раскачиваний, наоборот, колебания системы будут затухать, что в результате приведёт к полной остановке в положении равновесия.

Основой работы любого механического резонатора является взаимное преобразование двух видов энергий:

• потенциальной;
• кинетической.

В случае с качелями, которые по свойствам представляют собой простой маятник, потенциальная энергия, согласно кривой графика зависимости, достигает максимума в самой верхней точке, а по мере опускания вниз — к положению равновесия — постепенно переходит в кинетическую, набирая наибольшее значение при прохождении самой нижней точки. Зависит же потенциальная энергия, согласно формуле, от высоты подъёма и массы, а кинетическая — прямо пропорциональна квадрату скорости и той же массе.

Электронные устройства

Электромагнитный резонанс используется в различных электронных устройствах, где есть цепи с так называемым колебательным контуром, состоящим из катушки индуктивности и конденсатора. Возникает он при определённой частоте, позволяя энергии магнитного поля индуктивного элемента превращаться в энергию электрического поля конденсатора и обратно.

Механизм такого явления заключается в том, что переменное магнитное поле катушки индуктивности создаёт электрический ток для зарядки конденсатора, а при обратном процессе, когда конденсатор разряжается, ток генерирует магнитное поле в катушке. Такой процесс может повторяться неограниченное количество раз, подобно механическому маятнику.

Резонансные явления в электрических колебательных контурах, как правило, используются в настроечных элементах либо в электрических фильтрах.

Оптика и акустика

Самым известным примером использование резонанса в оптическом диапазоне считается резонатор Фабри-Перо. Этот прибор, основу которого составляет пара зеркал, расположенных друг против друга, позволяет создавать при помощи резонанса стоячую световую волну.

При работе с акустическими приборами для увеличения громкости также не обходятся без резонанса. Практически все музыкальные инструменты в своих конструкциях содержат резонаторы. Это и трубка у флейты, и корпус у скрипки, гитары или барабана.

По сути, резонанс в физике представляет собой отклик колеблющейся системы на внешнее воздействие, который проявляется в увеличении максимального отклонения от положения равновесия. Такой отклик ещё принято называть частотно-избирательным, так как само явление возникает лишь при совпадении частот — воздействия внешней силы и собственных колебаний системы.

Характерные примеры

Хрестоматийным и очень ярким примером резонанса считается случай разрушения структуры моста при прохождении по нему роты солдат строевым шагом. Причиной такого эффекта стало совпадение частоты шага группы людей и собственной частоты колебаний сооружения, что привело к резкому увеличению амплитуды колебаний моста.

С разрушением мостовых конструкций связан и термин «Такомский мост». Но в этом случае причиной аварии стала не рота солдат, а порывы ветра. При расчётах проектантами не была учтена возможность резонанса, в который вошло полотно моста с порывами ветра определённой скорости. После происшествия специалисты провели многочисленные исследования и расчёты, которые впоследствии стали фундаментом современного мостостроения.

Ещё один пример проявления резонанса, с которым уже сталкиваются в быту — это принцип работы микроволновки. В результате генерации СВЧ-излучения с частотой 2.45 ГГц в молекулах воды, попадающих в зону воздействия, наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний, что приводит к увеличению температуры. Таким образом, благодаря совпадению частоты внешнего воздействия и собственной у молекул воды, происходит разогрев продуктов внутри микроволновой печи.

В полемике и риторике

Понятие резонанс встречается также и в общественных науках. И это слово обозначает отклик общества на определённые события, публичные высказывания или действия политиков, а также реакцию людей на происшествия глобальных масштабов.

Философский словарь трактует это понятие как единомыслие двух личностей, то есть наличие одинаковой реакции на то или иное событие. Это может быть как синхронная антипатия, так и симпатия, сострадательное переживание или возмущение каким-то поступком.

В словаре иностранных слов можно найти объяснение резонансу как отклику, отголоску или впечатлению. В этом смысле слово употребляется для оценки произведений культуры:

• спектаклей;
• фильмов;
• концертов;
• книг.

Для показа эмоционального подъёма, единодушного порыва слово «резонанс» часто используется многими ораторами для подчёркивания значимости происходящего. В этом значении понятие приобретает смысл сильного отклика и одинаковой оценки.

С явлением резонанса люди сталкиваются каждый день, даже не задумываясь об этом. Но если в споре или при произношении речи с трибуны это слово можно использовать для усиления впечатления от сказанного, то с понятием резонанса как физического явления не всё так просто и безобидно. Резонанс может принести как пользу, так и вред. И о его возможном возникновении нужно всё-таки не забывать, когда захочется покачаться на подвесном пешеходном мостике или же поставить в микроволновку посуду из металла (правилами использования запрещается).

• Резонанс Шумана