Розглядаючи коливання маятника, ми встановили, що можливі два типи коливань: 1) власні коливання, частота яких визначається властивостями самого тіла, що коливається, і 2) вимушені коливання. частота яких дорівнює частоті змін зовнішньої сили, що діє на тіло,
Випадок, коли частота власних коливань тіла збігається з частотою змушених коливань, особливо важливий. Розглянемо його на досвіді.
На малюнку зображена установка, що дозволяє спостерігати вимушені коливання. До мотузяною розтяжці підвішені маятники А і В. Довжину маятника А можна змінювати, підтягуючи рукою, вільний кінець нитки, на якій він висить.
Коли маятник А знаходиться в положенні, позначеному на малюнку цифрою I, наведемо його в коливання. Ми зауважимо, що і маятник У прийде в коливання. Будемо тепер змінювати довжину маятника А і спостерігати за маятником В. Відзначаючи при різних довжинах маятника А амплітуду маятника В, можна виявити, що зі зміною довжину маятника А змінюємося амплітуда коливань маятника В. Найбільшого значення амплітуда коливання маятника У досягне тоді, коли довжини обох маятників будуть однакові.
Це явище знаходить дуже просте пояснення. Всім добре відомо, що при розгойдуванні якогось підвішеного на мотузці тіла (наприклад, гойдалок) необхідно підштовхувати його ззовні, хоча і з невеликою силою, але діє на тіло в такт з його власними коливаннями. Будь же неузгоджений поштовх (проти ходу) викличе зменшення амплітуди.
Точно так же протікає явище і в нашому досвіді з маятника. Змінюючи довжину маятника А, ми тим самим змінюємо частоту змін змушує сили, що діє на маятник В. Причиною, що змушує коливання маятника В, є періодичні коливання розтяжки з частотою коливання маятника А. Чим ближче частота змін змушує сили підходить до власної частоти коливань маятника В, тим більше число імпульсів сили буде сприяти збільшенню амплітуди маятника В. Вимушене коливання маятника В матиме найбільшу амплітуду тоді, коли власна його частота буде дорівнює частоті з Енен змушує сили, в даному випадку частоті коливань маятника А (положення II на малюнку). У цьому випадку говорять про резонанс.
Резонансом називається явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань тіла, коли частота змін змушує сили дорівнює частоті власних коливань тіла.
Якщо частота змушують коливань, т. Е. Частота коливань маятника А, буде зростати І. далі, то амплітуда вимушених коливань маятника У знову буде зменшуватися і при дуже великій частоті змушують коливань стане близькою до нуля.
На малюнку показаний графік залежності амплітуди вимушених коливань від частоти змін змушує періодичної сили. На цьому малюнку по горизонтальній осі (осі абсцис) відкладені частоти вимушених коливань, а на вертикальній осі (осі ординат) - відповідні їм амплітуди коливань тіла. Коли частота вимушених коливань (fвин) стає рівною частоті власних коливань тіла (fсобств), амплітуда коливань досягає найбільшої величини. На малюнку така амплітуда зображена ординатою точки К. Частоту fвин = fсобств називають резонансною частотою. При відхиленні частоти періодично змінюється змушує сили від резонансної частоти (вліво або вправо від неї) амплітуда коливань зменшується.
Явище резонансу наочно можна продемонструвати на наступному простому досвіді. Підвісимо до стійки масивний маятник А і поряд з ним кілька інших маятників різної довжини.
Виведемо маятник А з положення рівноваги. Коливання цього маятника передадуться стійці, а остання буде діяти з частотою, рівній частоті маятника А, на інші маятники. Ми побачимо, що тільки маятник С, довжина якого дорівнює довжині маятника А, сильно розгойдається. Цей маятник знаходиться в резонансі з маятником А. Маятники ж D і Е будуть коливатися з дуже малою амплітудою, а найкоротший маятник У майже зовсім не буде коливатися; його частота далека від частоти коливань маятника А.
Значення резонансу в техніці. Явище резонансу доводиться враховувати в техніці. Розглянемо деякі приклади.
Резонанс в техніці
Внаслідок нерівномірності ходу всяка машина робить невеликі коливання, частота яких дорівнює числу обертів вала машини в секунду. Якщо ця частота співпаде з власною частотою пружних коливань, які можуть здійснювати різні частини машини або опора, на якій встановлена машина, то настане резонанс. Амплітуди цих вимушених коливань можуть виявитися настільки великими, що відбудеться катастрофа - зруйнується машина або опора.
Траплялося, що внаслідок резонансу розвалювався на частини літак в повітрі, а під дією періодичних поштовхів коліс потяга на стиках рейок нападав залізничний міст.
Разючий випадок резонансу мав місце в 1907 році, коли в залі засідання Державної думи в Таврійському палаці (в Харкові) обвалилася вся штукатурка зі стелі. Винуватцем цієї катастрофи виявився невеликий мотор, встановлений під стелею і служив для вентиляції.
Можна привести багато прикладів поломок колінчастих валів машин, гребних гвинтів у судів, повітряних гвинтів у літаків, які викликалися явищем резонансу. У всіх таких випадках з резонансом доводиться боротися.
Однак резонанс грає в техніці і позитивну роль. Явище резонансу, як ми побачимо далі, використовується в пристрої багатьох приладів.