§ 24.23. Вимушені коливання. Механічний резонанс і його роль в техніці.
Прикріпимо пружинний маятник до кривошипному механізму (рис. 24.28). Не наводячи в дію механізм, наведемо маятник в коливання по вертикалі і підрахуємо частоту його вільних коливань. Коли сили опору незначні, то
вона практично збігається з частотою власних коливань, яка визначається виразом (24.16).
Тепер зупинимо маятник і почнемо рівномірно обертати механізм з кутовий швидкістю Точка закріплення пружини при цьому буде рухатися поступально вгору-вниз, і на маятник буде діяти зовнішня сила, періодично змінюється з круговою частотою. Під дією цієї сили маятник буде здійснювати незгасаючі вимушені коливання з тієї ж частотою
Будемо тепер змінювати частоту змушує сили зі і вимірювати амплітуду А вимушених коливань маятника, дочекавшись кожен раз, поки вони візьмуть сталий характер.
При дуже повільному обертанні механізму (зі мала) маятник піднімається і опускається разом з точкою підвісу на невелику висоту, що не розгойдуючись. При збільшенні він розгойдується все сильніше, а при наближенні частоти вимушених коливань до виміряної нами частоті вільних коливань амллітуда А різко зростає, досягаючи максимального значення при збігу цих частот (рис. 24.29, крива 1). При подальшому збільшенні амплітуда А швидко зменшується. При дуже швидкому обертанні механізму велика) маятник внаслідок своєї інерції практично нерухомий.
Таку частоту змушує сили, при зміні якої як в більшу, так і в меншу сторону амплітуда вимушених коливань системи зменшується, називають резонансною частотою цієї системи. Резонансом називають явище швидкого зростання амплітуди вимушених коливань будь-якої системи при наближенні частоти змушує сили до резонансної частоти системи.
Резонансна частота системи дорівнює частоті її вільних коливань; коли сили опору - малі, то можна вважати, що вона дорівнює власній частоті на рис. 24.29).
Явище резонансу можна спостерігати і за допомогою маятника, підвішеного на нитці, якщо періодично розгойдувати точку підвісу в такт з вільними коливаннями маятника. Розгойдуючи гойдалки, ми теж підштовхуємо їх в такт з їх вільними коливаннями. Якщо ж підштовхувати гойдалки не в такт з їх коливаннями, то вони зупиняться.
Повторимо досвід з нашим маятником (рис. 24.28), зануривши його в склянку з водою. Під дією сил опору амплітуда коливань в області резонансу сильно зменшиться (крива 2 на рис. 24.29) і трохи зменшиться резонансна частота, оскільки частота вільних коливань стане менше. Якщо ще більш збільшити опір, опустивши маятник в гліцерин, резонанс буде слабо виражений (крива 3 на рис. 24.29).
Отже, амплітуда коливань системи при резонансі сильно залежить від сил опору середовища і тертя. Чим менше ці сили, тим більше амплітуда коливань системи. Особливо великі амплітуди коливань при резонансі виходять, коли сили опору малі. У цьому випадку коливання при резонансі можуть зруйнувати всю коливається систему.
Зауважимо, що тіло, амплітуда вимушених коливань якого сильно збільшується тільки при певній частоті змушує сили, називають резонатором. Якщо привести у вимушені коливання кілька різних резонаторів, то коливання з великою амплітудою виникнуть тільки у того резонатора, у якого резонансна частота збігається з частотою вимушених коливань. На цьому принципі заснований пристрій частотоміра - приладу для вимірювання частоти змінного струму.
У цьому приладі на загальній планці закріплені пружні пластинки з грузиками на кінцях (язички). Платівки мають різні частоти власних коливань і розташовуються в порядку їх зростання. Змінний струм невідомої частоти пропускається через електромагніт, під дією якого планка З пластинками здійснює вимушені коливання з частотою струму. Одна з платівок, у якій власна частота така ж, потрапляє в резонанс і коливається сильно, що і дозволяє визначити частоту струму.
Практичне значення резонансу в природі і техніці дуже велике. Резонанс зустрічається не тільки в механічних явищах. Він використовується в електротехніці, оптиці і в ядерній фізиці. На резонансі заснована робота радіоприймачів, телевізорів і т. П.
Часто резонанс приносить і шкоду. Наприклад, при певних частотах звуку іноді деренчить корпус радіоприймача, передчасно зношуються фундаменти, на яких встановлюють ритмічно працюють машини, і т. Д. В авіації резонанс може привести навіть до руйнування літака під час польоту. Тому нові моделі літаків випробовуються при різних режимах роботи двигунів і в найрізноманітніших умовах польоту. Під час випробувань стежать за появою резонансних коливань в окремих деталях літака, які при остаточній відпрацювання конструкції повинні бути усунені. За допомогою теорії і дослідів можна уникнути виникнення резонансу там, де він приносить шкоду.