Главная > Физика > Физика для средних специальных учебных заведений
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 24.23. Вынужденные колебания. Механический резонанс и его роль в технике.

Прикрепим пружинный маятник к кривошипному механизму (рис. 24.28). Не приводя в действие механизм, приведем маятник в колебания по вертикали и подсчитаем частоту его свободных колебаний. Когда силы сопротивления незначительны, то

она практически совпадает с частотой собственных колебаний, определяемой выражением (24.16).

Теперь остановим маятник и начнем равномерно вращать механизм с угловой скоростью Точка закрепления пружины при этом будет двигаться возвратно-поступательно вверх-вниз, и на маятник будет действовать внешняя сила, периодически изменяющаяся с круговой частотой. Под действием этой силы маятник будет совершать незатухающие вынужденные колебания с той же частотой

Будем теперь изменять частоту вынуждающей силы со и измерять амплитуду А вынужденных колебаний маятника, дождавшись каждый раз, пока они примут установившийся характер.

Рис. 24.28.

Рис. 24.29.

При очень медленном вращении механизма (со мала) маятник поднимается и опускается вместе с точкой подвеса на небольшую высоту, не раскачиваясь. При увеличении он раскачивается все сильнее, а при приближении частоты вынужденных колебаний к измеренной нами частоте свободных колебаний амллитуда А резко возрастает, достигая максимального значения при совпадении этих частот (рис. 24.29, кривая 1). При дальнейшем увеличении амплитуда А быстро уменьшается. При очень быстром вращении механизма велика) маятник вследствие своей инерции практически неподвижен.

Такую частоту вынуждающей силы, при изменении которой как в большую, так и в меньшую сторону амплитуда вынужденных колебаний системы уменьшается, называют резонансной частотой этой системы. Резонансом называют явление быстрого возрастания амплитуды вынужденных колебаний какой-либо системы при приближении частоты вынуждающей силы к резонансной частоте системы.

Резонансная частота системы равна частоте ее свободных колебаний; когда силы сопротивления - малы, то можно считать, что она равна собственной частоте на рис. 24.29).

Явление резонанса можно наблюдать и с помощью маятника, подвешенного на нити, если периодически раскачивать точку подвеса в такт со свободными колебаниями маятника. Раскачивая качели, мы тоже подталкиваем их в такт с их свободными колебаниями. Если же подталкивать качели не в такт с их колебаниями, то они остановятся.

Повторим опыт с нашим маятником (рис. 24.28), погрузив его в стакан с водой. Под действием сил сопротивления амплитуда колебаний в области резонанса сильно уменьшится (кривая 2 на рис. 24.29) и немного уменьшится резонансная частота, поскольку частота свободных колебаний станет меньше. Если еще более увеличить сопротивление, опустив маятник в глицерин, резонанс будет слабо выражен (кривая 3 на рис. 24.29).

Итак, амплитуда колебаний системы при резонансе сильно зависит от сил сопротивления среды и трения. Чем меньше эти силы, тем больше амплитуда колебаний системы. Особенно большие амплитуды колебаний при резонансе получаются, когда силы сопротивления малы. В этом случае колебания при резонансе могут разрушить всю колеблющуюся систему.

Заметим, что тело, амплитуда вынужденных колебаний которого сильно увеличивается только при определенной частоте вынуждающей силы, называют резонатором. Если привести в вынужденные колебания несколько различных резонаторов, то колебания с большой амплитудой возникнут только у того резонатора, у которого резонансная частота совпадает с частотой вынужденных колебаний. На этом принципе основано устройство частотомера — прибора для измерения частоты переменного тока.

В этом приборе на общей планке закреплены упругие пластинки с грузиками на концах (язычки). Пластинки имеют различные частоты собственных колебаний и располагаются в порядке их возрастания. Переменный ток неизвестной частоты пропускается через электромагнит, под действием которого планка С пластинками совершает вынужденные колебания с частотой тока. Одна из пластинок, у которой собственная частота такая же, попадает в резонанс и колеблется сильно, что и позволяет определить частоту тока.

Практическое значение резонанса в природе и технике очень велико. Резонанс встречается не только в механических явлениях. Он используется в электротехнике, оптике и в ядерной физике. На резонансе основана работа радиоприемников, телевизоров и т. п.

Часто резонанс приносит и вред. Например, при определенных частотах звука иногда дребезжит корпус радиоприемника, преждевременно изнашиваются фундаменты, на которых устанавливают ритмично работающие машины, и т. д. В авиации резонанс может привести даже к разрушению самолета во время полета. Поэтому новые модели самолетов испытываются при различных режимах работы двигателей и в самых разнообразных условиях полета. Во время испытаний следят за появлением резонансных колебаний в отдельных деталях самолета, которые при окончательной отработке конструкции должны быть устранены. С помощью теории и опытов можно избежать возникновения резонанса там, где он приносит вред.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление