Чем опасно явление резонанса для мостов. Великая сила резонанса. Где можно наблюдать пример резонанса
Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можете ли вы точно сказать, что такое резонанс?
Если ответ отскочил у вас от зубов, мы вами по-настоящему гордимся! Ну а если тема «резонанс в физике» вызывает вопросы, то советуем прочесть нашу статью, где мы подробно, понятно и кратко расскажем о таком явлении как резонанс.
Прежде, чем говорить о резонансе, нужно разобраться с тем, что такое колебания и их частота.
Колебания и частота
Колебания – процесс изменения состояний системы, повторяющийся во времени и происходящий вокруг точки равновесия.
Простейший пример колебаний - катание на качелях. Мы приводим его не зря, этот пример еще пригодится нам для понимания сути явления резонанса в дальнейшем.
Резонанс может наступить только там, где есть колебания. И не важно, какие это колебания – колебания электрического напряжения, звуковые колебания, или просто механические колебания.
На рисунке ниже опишем, какими могут быть колебания.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний - это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.
Частота колебаний (измеряется в Герцах) - это количество колебаний в единицу времени. 1 Герц - это одно колебание за одну секунду.
Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.
Толкая качели в определенный момент и с определенной периодичностью можно довольно сильно раскачать их, прилагая совсем немного усилий.Это и будет резонанс: частота наших воздействий совпадает с частотой колебаний качелей и амплитуда колебаний увеличивается.
Суть явления резонанса
Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы.
Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.Суть явления резонанса в физике состоит в том, что амплитуда колебаний резко возрастает при совпадении частоты воздействия на систему с собственной частотой системы.
Примеры резонанса
Явление резонанса наблюдается в самых разных физических процессах. Например, звуковой резонанс. Возьмём гитару. Само по себе звучание струн гитары будет тихим и почти неслышным. Однако струны неспроста устанавливают над корпусом – резонатором. Попав внутрь корпуса, звук от колебаний струны усиливается, а тот, кто держит гитару, может почувствовать, как она начинает слегка «трястись», вибрировать от ударов по струнам. Иными словами, резонировать.
Еще один пример наблюдения резонанса, с которым мы сталкиваемся - круги на воде. Если кинуть в воду два камня, попутные волны от них встретятся и увеличатся.
Действие микроволновки также основано на резонансе. В данном случае резонанс происходит в молекулах воды, которые поглощают излучение СВЧ (2,450 ГГц). Как следствие, молекулы входят в резонанс, колеблются сильнее, а температура пищи повышается.
Резонанс может быть как полезным, так и приносящим вред явлением. А прочтение статьи, как и помощь нашего студенческого сервиса в трудных учебных ситуациях, принесет вам только пользу. Если в ходе выполнения курсовой вам понадобится разобраться с физикой магнитного резонанса, можете смело обращаться в нашу компанию за быстрой и квалифицированной помощью.
Напоследок предлагаем посмотреть видео на тему «резонанс» и убедиться в том, что наука может быть увлекательной и интересной. Наш сервис поможет с любой работой: от реферата "Сеть интернет и киберпреступность" до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.
Из курса обучения в школе и институте многие вынесли определение резонанса, как явления постепенного или резкого возрастания амплитуды колебаний некоторого тела, когда к нему прикладывается внешняя сила с определенной частотой. Однако ответить практическими примерами на вопрос, что такое резонанс, могут немногие.
Физическое определение и привязка к объектам
Резонанс, согласно определению, можно понять как достаточно простой процесс:
- существует тело, находящееся в состоянии покоя или колеблющееся с определенной частотой и амплитудой;
- на него действует внешняя сила с собственной частотой;
- в случае, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой рассматриваемого тела, возникает постепенное или резкое возрастание амплитуды колебаний.
Однако, на практике явление рассматривается в виде гораздо более сложной системы. В частности, тело может быть представлено не как единый объект, а сложная структура. Резонанс возникает при совпадении частоты внешней силы с так называемой суммарной эффективной колебательной частотой системы.
Резонанс, если рассматривать его с позиций физического определения, непременно должен приводить к разрушению объекта. Однако, на практике существует понятие добротности колебательной системы. В зависимости от ее значения, резонанс может приводить к различным эффектам:
- при низкой добротности система не способна в большой мере сохранять поступающие извне колебания. Поэтому наблюдается постепенное повышение амплитуды собственных колебаний до того уровня, когда сопротивление материалов или соединений не приводит к стабильному состоянию;
- высокая, близкая к единице добротность - самая опасная среда, в которой резонанс приводит, зачастую, к необратимым последствиям. Среди них может быть как механическое разрушение объектов, так и выделение большого количества тепла на уровнях, которые могут привести к возгоранию.
Также, резонанс возникает не только при действии внешней силы колебательного характера. Степень и характер реакции системы, в большой степени, отвечает за последствия действия направленных извне сил. Поэтому резонанс может возникнуть в самых разных случаях.
Хрестоматийный пример
Множество людей посмеивалось над данным примером, считая явление только теоретически возможным. Но достижения технического прогресса доказали теорию.
В сети существует реальное видео поведения пешеходного моста в Нью-Йорке, который постоянно сильно раскачивался и едва не рухнул. Автор творения, которое собственной механикой подтверждает теорию, когда резонанс возникает от движения людей, даже хаотического - французский архитектор, автор подвесного моста Виадук Мийо, сооружения с самыми высокими опорными колоннами.
Инженеру пришлось потратить много времени и денег, чтобы снизить добротность системы пешеходного моста до приемлемого уровня и добиться того, чтобы не было значительных колебаний. Пример работы над данным проектом - это иллюстрация того, как последствия резонанса можно обуздать в системах с низкой добротностью.
Примеры, которые повторяют многие
Еще один пример, который даже участвует в анекдотах - это раскалывание посуды звуковыми колебаниями, от занятий на скрипке и даже пения. В отличие от роты солдат, данный пример неоднократно наблюдался и даже специально проверялся. Действительно, возникающий при совпадении частот резонанс приводит к раскалыванию тарелок, бокалов, чашек и другой посуды.
Это пример развития процесса в условиях системы с высокой добротностью. Материалы, из которых сделана посуда - это достаточно упругие среды , в которых колебания распространяются с малыми затуханиями. Добротность таких систем очень высока, и хотя полоса совпадения частот довольно узкая, резонанс приводит к сильному увеличению амплитуды, в результате чего материал разрушается.
Пример действия постоянной силы
Еще один пример, где проявилось разрушительное действие - это рухнувший Такомский подвесной мост. Данный случай и видео волнообразного раскачивания конструкции даже рекомендовано к просмотру на факультетах физики университетов, как самый хрестоматийный пример такого явления резонанса.
Разрушение подвесного моста под действием ветра - это иллюстрация того, как относительно постоянная сила вызывает резонанс. Происходит следующее:
- порыв ветра отклоняет часть конструкции - внешняя сила способствует возникновению колебаний;
- при обратном движении конструкции, сопротивления воздуха недостаточно, чтобы погасить колебание или снизить его амплитуду;
- вследствие упругости системы, начинается новое движение, которое усиливает ветер, продолжающий дуть в одном направлении.
Это пример поведения комплексного объекта, где резонанс развивается на фоне высокой добротности и значительной упругости, под действием постоянного воздействия силы в одном направлении. К сожалению, Такомский мост - это не единственный пример обрушения конструкций. Случаи наблюдались и наблюдаются по всему миру, в том числе и в России.
Резонанс может применяться и в контролируемых, четко определенных условиях. Среди всего множества примеров можно легко вспомнить радиоантенны, даже разрабатываемые любителями. Здесь применяется принцип резонанса при поглощении энергии электромагнитной волны
. Каждая система разрабатывается под отдельную полосу частот, в которой наиболее эффективна.
Установки МРТ применяют другой тип явления - различное поглощение колебаний клетками и структурами человеческого тела. Процесс ядерного магнитного резонанса использует излучение различной частоты. Резонанс, возникающий в тканях, приводит к легкому распознаванию конкретных структур. Меняя частоту, можно исследовать те или иные области, решать разнообразные задачи.
под копытами эскадрона гвардейской кавалерии
рушится Египетский мост через реку Фонтанку в Петербурге.
Представь, что ты стоишь на раскачивающемся деревянном реечном мостике. Понятно, что если ты начнёшь сам раскачиваться в такт с качаниями мостика, то мостик начнёт раскачиваться ещё сильнее.
Настоящие современные мосты тоже, на самом деле, колеблются незаметно для невооружённого глаза. Архитекторы знают, что явление резонанса (то есть совпадения собственной частоты с частотой внешнего воздействия) может привести к катастрофическим последствиям.
Египетский цепной мост через Фонтанку
Так, 2 февраля 1905 года рухнул Египетский мост в городе Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон. Считается, что причиной происшествия стало то, что всадники, гарцуя на лошадях, попали в резонанс с собственными колебаниями моста.
На школьных уроках физики, когда изучают явление резонанса, часто приводят пример этого разрушения, когда по мосту в одном направлении прошел «в ногу» эскадрон Конногвардейского полка, а в противоположном — 11 саней с возницами.
Обычно отряд военных делает 120 шагов в минуту, и эта частота (2 Гц) совпала с частотой собственных колебаний конструкции. С каждым шагом размах колебаний пролета увеличивался, и, наконец, мост не выдержал. Мост вошёл в резонанс и обрушился. Он был одним из пяти подвесных мостов в городе.
Вся настилка моста вместе с перилами и скреплениями, разорвав цепи и сломав часть чугунной опоры, проломала лед и оказалась на дне реки.
К счастью, обошлось без жертв, всем удалось выбраться на берег. Серьезно пострадавших, по официальным сведениям, не оказалось.
Впоследствии, военным было запрещено проходить по мостам в ногу. Появилась даже специальная команда: "Шагай вразнобой!".
Египетский мост через реку Фонтанку. Мост получил своё название из-за своеобразного оформления.
В настоящее время сфинксы - это все, что осталось от первого моста. Теперь этот мост не цепной и не подвесной.
А в 1940 году из-за резонансных колебаний разрушился Такомский мост в США. На фотографии видно, как его "перекрутило".
Вы думали, что дело в «резонансе»? Подумайте ещё.
«По крайней мере, шесть фонарных столбов были вырваны, пока я смотрел. Несколько минут спустя я увидел, что один из прогонов увело в сторону. Хотя мост и качался под углом в 45 градусов, я думал, что всё обойдётся. Но этого не произошло». – Берт Фаркарсон.
Обрушение моста Такома-Нэрроуз утром 7 ноября 1940 года - самый яркий пример захватывающего обрушения моста в наше время. Третий по величине висячий мост в мире, уступающий только мосту Джорджа Вашингтона и мосту Золотые Ворота, он соединял Такому с полуостровом Китсап в заливе Пьюджет и открылся общественности 1 июля 1940 года. Всего четыре месяца спустя, при определённых условиях ветра, мост вошёл в резонанс, что заставило его неудержимо колебаться. После часа колебаний из строя вышла его центральная часть, и весь мост был уничтожен. Это стало свидетельством существования эффекта резонанса и с тех пор использовалось в качестве классического примера в физике и на технических занятиях по всей стране. К сожалению, вся эта история – настоящий миф.
У каждой физической системы или объекта существует естественная, свойственная ему резонансная частота. У качелей, например, существует определённая частота, с помощью которой вы можете управлять ими; в детстве вы учитесь раскачивать себя одновременно с колебанием. Раскачиваясь слишком медленно или слишком быстро, вы никогда не создадите скорость, но если вы раскачиваетесь в правильном темпе, вы можете взлетать настолько высоко, насколько вам позволит ваша физическая подготовка. Резонансные частоты могут также иметь катастрофические последствия, если вы создадите слишком много вибрационной энергии в системе, которая не сможет её обработать, как например, определённые звуковые частоты способны заставить разбиться стакан.
Поэтому вполне логично предположить, что виновником разрушения моста стал именно резонанс. И это самая известная ловушка науки: когда вы находите объяснение, которое является простым, логичным и очевидным. Но в этом случае оно абсолютно неверно. Вы можете рассчитать резонансную частоту моста и понять, что не было никаких воздействий, способных привести к разрушению. Всё, что происходило в тот момент - продолжительный сильный ветер. На самом деле сам мост вообще не раскачивался в своей резонансной частоте!
Но то, что произошло на самом деле, было по-настоящему захватывающим и содержит уроки, которые мы не все учли – судя по мостам, созданных нами с тех пор.
Каждый раз, когда вы создаёте объект между двумя точками, он способен свободно перемещаться, вибрировать, колебаться и так далее. У него существует собственная реакция на внешние стимулы, точно так же, как струна гитары вибрирует в ответ на внешние раздражители. Именно это происходило с мостом большую часть времени: простые вибрации вверх и вниз от проезжающих по нему автомобилей, дуновения ветра и так далее. С ним происходило то, что происходило бы с любым висячим мостом, однако он подвергался более сильному воздействию из-за снижения расходов при проектировании его конструкции. Такие сооружения, как мосты, особенно хороши в потере этого вида энергии, поэтому самостоятельно они не могут создать угрозу разрушения.
Но ветер, дувший на мосту 7-го ноября, был более сильным и продолжительным, чем когда-либо прежде, он заставил сформироваться вихри. В малых количествах это не создало бы проблем, но посмотрите на эффекты этих вихрей в видео ниже.
Со временем они вызывают аэродинамическое явление, известное как «флаттер»: части конструкции под влиянием ветра начинают дополнительно раскачиваться. Это заставляет внешние части перемещаться перпендикулярно направлению ветра, что не совпадает по фазе с изменчивым движением моста. Явление флаттер, как известно, имело катастрофические последствия для самолётов, но никогда прежде не было замечено его влияния на мосты. По крайней мере, не до такой степени.
Когда начался эффект флаттер, один из стальных кабелей, поддерживающих мост, лопнул, перестав быть последним главным препятствием для этого явления. Это произошло, когда две стороны моста качались назад и вперёд в гармонии друг с другом, поэтому волнение усилилось. Продолжительный сильный ветер и созданные им вихри не могли уже остановить никакие силы, мост продолжал раскачиваться всё сильнее. Последние люди, оставшиеся на мосту, по большей части фотографы, были вынуждены бежать.
Но совсем не резонанс уничтожил мост, а скорее самопроизвольное раскачивание! Не имея возможности рассеять эту энергию, конструкция просто продолжала колебаться назад и вперёд, и этот процесс наносил ущерб подобно тому, который скручивание твёрдого объекта туда-сюда ослабляет его, в итоге приводя к поломке. Не резонанс виноват в разрушении моста, а простое отсутствие внимания ко всем эффектам, дешёвые строительные методы и нежелание просчитать все воздействующие силы.
Однако это не было полным провалом. Инженеры, которые исследовали разрушение, быстро начали понимать явление; в течение 10 лет новое ответвление науки: аэроупругость моста. Явление флаттер теперь изучено достаточно, и о нём нельзя забывать, чтобы добиться успеха. Два современных моста могла постичь та же участь, что и Такома-Нэрроуз – Мост Тысячелетия в Лондоне и Волгоградский мост в России тоже имели недостатки, связанные с эффектом флаттер, но они были исправлены в XXI веке.
Не вините резонанс в самом известном разрушении моста. Истинная причина более ужасна, и она может коснуться сотни мостов по всему миру, если мы забудем об эффекте флаттера, который может привести к разрушениям.