Определение механического резонанса: амплитуда, период, частота колебаний.
Содержание
- 1 Колебания и частота
- 2 Суть явления резонанса
- 3 Польза и вред механических резонансов
- 4 Добротность колебательной системы
- 5 Положительные и отрицательные стороны резонанса
- 6 Частота резонанса
- 7 Электромеханические резонаторы
- 8 Достижение размытия резонанса
- 9 Кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры
- 10 Примеры резонанса
- 11 Видео
Галилео Галилей на примере простого маятника объяснил такое явление, как механический резонанс. Он доказал, что, если извне действовать колебаниями на тело, уже совершающее вынужденные колебания, то, изменяя частоту воздействия, можно увеличить или уменьшить его амплитуду движений.
Колебания простейшего маятника
Колебания и частота
ПроцеДypa, связанная с изменением положения системы рядом с точкой равновесного состояния и повторяющаяся с течением времени, называется колебаниями. Качающийся маятник повторяет свои движения относительно нормали к горизонтальной плоскости. При этом, если не прикладывать к его движению дополнительной энергии, его раскачивания затухнут.
Явление таких изменений можно классифицировать по следующим параметрам:
- по математической модели, используемой в колебаниях;
- по структуре периодичности;
- по природе физических свойств;
- по виду взаимодействия с окружающими условиями.
Внимание! Все колебания, независимо от своих физических свойств, имеют общие законы, которые можно описать волновыми явлениями. Эти закономерности исследует теория волновых колебаний.
Механические колебания связаны с трaнcформацией одной формы энергии в другую, волновые – с прострaнcтвенным передвижением и распространением энергии.
Общими параметрами для всех колебаний являются:
- частота;
- период;
- амплитуда.
Частотой считают количество колебаний, совершаемых телом за единицу времени. Единица измерения – герц (Гц), графическое обозначение – f, ʋ. Частота может быть круговой – при периодичном движении точки по окружности, ещё её называют циклической:
ω = 2π*T, (рад/с).
Период (T) являет собой время целого (полного) колебания, во время которого можно зафиксировать повторение любой из хаpaктеристик состояния системы. Это значит, что она совершила полное колебание. Обозначение периода – Т, единица измерения – секунда (с).
Две величины T и f являются обратными, что следует из формул:
- T = 1/f;
- f = 1/T.
Наибольшее отклонение точки тела или любой величины системы от равновесного положения называется амплитудой колебаний и обозначается буквой A. Единицей измерения являются те величины, изменения которых рассматриваются. При механических отклонениях амплитуду измеряют в метрах (м), амплитуду переменного напряжения – в вольтах (В) и так далее.
Период и частота механических колебанийСуть явления резонанса
Резонанс в электрической цепиСлово resono в переводе с латыни значит отклик. Колeблющаяся система откликается на наружные колебательные влияния. При приближении частоты наружной к частоте своей собственной она отвечает резким повышением амплитуды своих вынужденных периодических отклонений от состояния равновесия.
Явление резонансаВажно! Резонанс и унисон – это не одинаковые явления. Унисон – это совпадение звуков по тону. В этом случае не происходит увеличения амплитуды звуковых колебаний, а наступает «одноголосье» двух или нескольких источников звука.
Две струны могут звучать в унисон, если к ним одновременно прикладывать силу, приводящую к их колебаниям. Но одна может резонировать с другой в момент совпадения частот их колебаний и увеличивать громкость своего звучания.
Польза и вред механических резонансов
При строительстве заданий и инженерных сооружений обязательное условие – проверка конструкций на резонансные явления. При этом изучаются все источники колебаний, как природных (ветра, прибоя), так и искусственных (радары, передающие антенны).
Условия резонансаОдним из примеров вреда резонанса можно назвать разрушение в 1940 году висячего моста в штате Вашингтон, США. Низкая высота опор Такомского сооружения вызывала непроизвольные колебания при воздействии ветра. В результате того, что эти колебания однажды вступили в резонанс с порывами движения воздушных масс, мост разрушился. Хотя ещё в ходе строительства было отмечено появление этого явления, но ему не придали значения.
Явление усиления амплитуды при совпадении частот при землетрясении вызывает разрушения и огромные волны цунами.
У резонанса есть плюсы:
- резонаторы на струнных инструментах усиливают гармонику, выполняя усиления стоячих волн;
- колебательный контур радиоприёмных устройств, при настройке на передающую станцию, усиливает принятый сигнал по амплитуде;
- разрушающие особенности этого процесса для бетона используются при работе перфоратора, во время вибрации при сверлении.
Интересно. Благодаря рассматриваемому явлению, современная медицина приобрела такой незаменимый прибор, как МРТ – магниторезонансная томография. При помощи МРТ производят полное обследование организма человека. Магниторезонансная терапия позволяет лечить болезни опopно-двигательного аппарата без хирургического вмешательства.
Цунами – результат резонанса частоты морских волн с частотой подземных толчковДобротность колебательной системы
Ещё одной из хаpaктеристик колебательной системы (КС) является добротность. Она обозначается буквой Q и находится по общей формуле:
Кварцевый резонаторQ = ω0*W/Pd = 2πf0W/Pd ,
где:
- ω0 – круговая резонансная частота;
- f0 – частота резонанса;
- W – запас энергии в КС;
- Pd – мощность рассеивания.
Добротность определяет отношение запаса энергии в КС к потерям за интервал фазных изменений на величину в 1 радиан. Она показывает ширину резонансной полосы.
Внимание! Формула для вычисления Q говорит о том, что в каждом периоде скорость затухания колебаний и количество потерянной энергии тем меньше, чем выше значение добротности КС.
Добротность колебательной системыПоложительные и отрицательные стороны резонанса
Высотные мачты и башни, небоскрёбы, мосты и смотровые площадки должны выдерживать возрастание амплитуды своих колебаний в результате внешних воздействий.
У явления резонанса есть плюсы:
- резонаторы на струнных инструментах усиливают гармонику, выполняя усиление стоячих волн;
- колебательный контур радиоприёмных устройств, при настройке на передающую станцию, усиливает принятый сигнал по амплитуде.
Разрушающие свойства этого явления используются при работе перфоратора – во время вибрации при сверлении бетонная стена вступает в резонанс с рабочим инструментом, и происходит разрушение бетона в точке применения.
Плюсы и минусы резонансаЧастота резонанса
Частоту силы, вынуждающей КС вступить с ней в резонанс, можно определить, исходя из формулы:
ωрез = √(ω02 – 2ß2).
В данной формуле:
- ωрез – частота резонанса;
- ω0 – круговая частота;
- ß – коэффициент затухания.
Когда коэффициент затухания повышается, то явление резонирования снижается.
Электромеханические резонаторы
Явление механического резонанса – это повышение амплитуды вынужденных колебательных перемещений. Электромеханический резонатор – это устройство, предназначенное для измерения сил механической природы и её производных. По техническому замыслу он подобен пьезоэлектрическому датчику, но с более высокой добротностью. Основными элементами такого устройства являются:
- пьезоэлектрическая пластина, имеющая форму спаренного камертона (параллельные одинаковые стержни с объединёнными между собой концами);
- электроды, присоединённые к концам пьезоэлектрического компонента.
Для понижения частоты служит сосредоточенная масса, которая с помощью перемычки подсоединяется к средним частям стержней.
Устройство электромеханического резонатораНа приведённой картинке отображены следующие зоны и элементы:
- 1 – стержни (сечение равномерно по всему стержню);
- 2 – объединённые элементы;
- 3 – зона размещения электродов;
- 4 – массы сосредоточения;
- 5 – перемычки;
- 6 – места для закрепления резонатора и подключения цепи для силоизмерения.
К сведению. Электромеханические резонаторы – это детали или устройства, объединяющие в себе свойства механического резонирования и пьезоэлектрических преобразований.
Достижение размытия резонанса
Для частичного уменьшения или размытия (смягчения) резонанса необходимо выполнить одно из условий снижения амплитуды. Эффект амортизации заключается в том, чтобы:
- понизить добротность КС;
- убрать совпадение или пересечение диапазонов частот КС и частот колебаний возможных сторонних возмущений.
Существует множество приспособлений и конструктивных решений, позволяющих это сделать. К наиболее удачным относятся:
- вставка в многопроволочные провода линий электропередач жилы с меньшим сечением;
- применение амортизаторов на трaнcпорте для снижения колебаний во время движения;
- применение в трубопроводах, работающих под высоким давлением, вставок-гасителей;
- запрет при передвижении по мостам колонной шагать в ногу;
- для предотвращения раскачивания зданий и вхождения их в ветровой резонанс устанавливание «воздуходувок», выполняющих встречную ветру подачу воздуха;
- подача импульсов тока на нежёсткую деталь во время её токарной обработки.
Один из универсальных методов, предназначенных для размытия резонанса, предлагает использовать два связанных элемента. У элементов изменения жесткости происходят по двум разным законам: линейному и нелинейному. Вместе соединяются витая пружина и прессованная проволока, представляющая собой демпфирующий компонент упругого действия.
Кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры
Это наиболее распространённые резонаторы, включающие в себя кристаллы кварца. Кристалл вырезается в форме параллелепипеда. На полученную пластину в вакууме напыляют электроды. Способы колебаний такого элемента зависят от следующих позиций:
- вида пластины из кварца;
- конструктивного исполнения электродов;
- метода присоединения электродов.
На величину собственной частоты кварцевого резонатора влияют: форма, размеры, модуль упругости и плотность пьезоэлектрического элемента, а также особенности крепления детали.
Простейшая конструкция кварцевого резонатораЭлектромеханические фильтры (ЭМФ) выполняют ступенчатое преобразование. На первой ступени происходит превращение электрических пульсаций в колебания механической природы. Вторая ступень их фильтрует, третья – снова возвращает в электрическую форму.
Внимание! Вторая ступень – это механический резонатор, он работает как фильтр. Изготавливается из ферритов с магнитострикционными свойствами, кварца, сплавов железа с никелем, пьезокерамических элементов и иных компонентов.
Блок-схема ЭМФПримеры резонанса
Ещё один из примеров проявления – акустическое резонирование соборных труб при звучании органной музыки. Громкое и красивое звучание происходит в результате этого явления. Трубы применяются различных диаметров и длины. Такой инструмент, как флейта, звучит исключительно при помощи этого эффекта. Детские качели достигают наибольшей амплитуды раскачивания при резонансе колебаний внешних и собственных.
Применение нано технологий открыло такое явление, как плазменный резонанс, при котором поверхностный плазмон возбуждается извне электромагнитной волной. Независимо от того, к каким последствиям приводит резонирование разных колебательных систем, его величину можно регулировать. Акустические, электрические, механические и другие резонаторы, входящие в состав устройств, расширяют спектр их применения.
Видео
Знакомство с устройством светодиодных лент, способы регулирования их яркости и управление цветом. Подключение диммеров к светодиодным источникам света....
21 10 2026 8:44:51
Закон Лжоуля-Ленца: физическая формула. Суть теплового закона, интегральная и дифференциальная формулы. Теоретическая значимость и пpaктическое применение. Джоуль Ленц - историческая справка....
20 10 2026 0:35:54
Понятие об установленной и расчетной мощности. Установленная мощность: электрические станции, жилые и общественные здания, промышленные объекты - разница в вычислениях. Формулы для расчета установленных суммарных мощностей....
19 10 2026 18:11:27
Что такое дюбель-хомут: применение, разновидности и особенности монтажа электропроводки. Как крепить кабеля без сверления: классификация крепежа. Способы крепления кабеля к стене или потолку с помощью металлического хомута....
18 10 2026 7:50:40
Для чего применяются таймеры и рале времени, их различия и модификация. Правильный выбор нужного таймера....
17 10 2026 18:11:28
Почему выгодна разделка кабелей и проводов. Виды оборудования: от простых устройств к универсальным стpиппepам. Порядок изготовления самодельного стpиппepа. Чертежи станка для разделки кабеля своими руками....
16 10 2026 19:25:44
Что такое мощность электроэнергии. Мгновенное значение электрической мощности. Расчеты для электроцепей переменного тока. Формулы измерений, калькулятор зависимости от тока и мощности. Расчет реактивных мощностей. Типы нагрузок в электроцепях....
15 10 2026 0:20:15
Разница между индукционными и электронными приборами, плюсы и минусы установок. Список рекомендуемых к применению счетчиков электроэнергии, фото и видео....
14 10 2026 20:20:26
Открытие электричества: первые шаги. Когда впервые узнали об электричестве. Изобретатель и первооткрыватель. Электричество и электрический ток: история открытий в России и в мире. Открытия ставшие возможными благодаря электричеству....
13 10 2026 10:36:19
Передача электроэнергии на расстояние: история, настоящие и будущее. Схема передачи электрической энергии и ее звенья: ПС, ЛЭП, ТП, ЦРП, низковольтные линии. Электроэнергия и схемы ее распределения (магистральная и радиальная)....
12 10 2026 7:50:53
Определение средств индивидуальной защиты. Меры по снижению влияния вредных факторов, снижения степени опасности и предотвращения несчастных случаев. Перечень и классификация СИЗ. Порядок приобретения и выдачи, ответственность за использование....
11 10 2026 22:38:57
Хаpaктеристики и устройство осцилятора (электронная схема). Типы осцилляторов по принципу непрерывного действия и импульсному способу питания дуги. Порядок изготовления плазмотрона своими руками в домашних условиях. Схема осциллятора для инвертора....
10 10 2026 23:37:32
Природа магнетизма: демонстрация свойств магнита в притягивании к себе металлических предметов. Виды магнитов: естественные и искусственные. Применение постоянных магнитов....
09 10 2026 3:29:42
Разновидности датчиков движений применяемых для сигнализации: герконовые, инфpaкрасные, вибрационные и звуковые. Проводные, беспроводные и адресные датчики движения. Что важно учесть при выборе оборудования....
08 10 2026 3:59:10
Полная мощность и ее составляющие. Формула взаимосвязи между общей, активной и реактивной мощностью. Коэффициент мощности (косинус фи) на примере асинхронного двигателя и генератора. Мероприятия по увеличению коэффициента мощности....
07 10 2026 7:53:33
Что изучает электроэнергетика и электротехника. Какие специалисты нужны в электроэнергетике и электротехнике. Где учат будущих электроэнергетиков и электротехников. Сферы использования электроэнергии....
06 10 2026 15:18:38
Способы пайки: пайка прибором, работающим от тока, с помощью газовой горелки, стыковка двух материалов или провода без паяльника. Как правильно паять паяльником с кислотой....
04 10 2026 17:21:20
Конденсаторы из тантала и правила маркировки элементов. Виды буквенно-цифровой маркировок конденсаторов. Маркировка для танталовых SMD конденсаторов. Коды напряжения для SMD-тантала....
03 10 2026 23:36:18
Аккумуляторы и их виды: классификация аккумуляторных батареек в зависимости от размера, мощности и конструкции. АКБ: принцип работы и применение. Зарядные устройства для аккумуляторных батарей в зависимости от типа аккумуляторов....
02 10 2026 1:42:31
Освещение дорог позволяет обезопасить человека. Показатели зависят от категории объекта, яркости дорожного покрытия и количества движущего трaнcпорта....
01 10 2026 8:14:15
Самостоятельная настройка антенны и ресивера НТВ плюс. Как установить спутниковую антенну своими руками. Ручная настройка спутниковой антенны НТВ плюс. Как настроить антенну НТВ Плюс Восток на разных телевизорах....
30 09 2026 15:52:32
Многотарифный счетчик поможет легко экономить на электроэнергии. А его монтаж, установка и выбор это очень простая задача!...
29 09 2026 12:20:41
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
28 09 2026 23:40:35
Освещение прихожих и коридоров нужно делать с учетом особенностей их размеров, а также установленной мебели и аксессуаров....
27 09 2026 4:53:17
Правила параллельного соединения резисторов. Расчеты мощности и силы тока в проводниках при параллельном соединении резисторов. Примеры формул. Отличия от последовательного и смешанного соединений....
26 09 2026 4:42:32
Вольтметр на основе микропроцессора: подготовка платы и блока питания. Изготовление цифрового вольтметра своими руками в домашних условиях. Сборка и настройка прибора. Пайка на плате с применением активного флюса. Милливольтметр переменного тока....
25 09 2026 11:50:35
Устройство и параметры АКБ-18650. Защитная электронная плата аккумуляторной батареи 18650. Аккумулятор АКБ18650: выбор производителей лучшей батарейки. Механическая защита, емкость и токоотдача аккумулятора....
24 09 2026 23:53:27
RS, JK и PC триггеры: принципы работы. Классификация последовательных схем: синхронные, асинхронные и комбинированные. Представление работы триггеров в таблице истинности и временной диаграмме синхронизации....
23 09 2026 3:53:42
Применение и преимущества провода СИП 3. Конструктивные особенности и хаpaктеристики СИП3-кабелей (таблица). Особенности монтажа и соединения проводов СИП3. Эксплуатация самонесущего изолированного кабеля....
22 09 2026 11:19:22
Что такое стpиппep и где его применяют: особенности инструмента для зачистки проводов. Как правильно выбрать клещи для зачистки проводов от изоляции. Разновидности стpиппepов: ручной, полуавтоматический и автоматический....
21 09 2026 14:17:16
Оценка качества светопередачи и определение индекса. Порядок проведения измерений параметра CRI. Проблемы с индексом, поиски новых стандартов. Современность и подбор по световым хаpaктеристикам....
20 09 2026 11:13:49
Функциональные группы в энергетике (таблица). Группы по электробезопасности, аттестационные права ЭБ (таблица). Таблица необходимого для последующей аттестации стажа в электрических установках. Аттестация по электробезопасности....
19 09 2026 0:34:44
Основные формулы расчёта коэффициента спроса, таблица и её основные моменты. Определение что такое коэффициент использования....
18 09 2026 8:43:43
Основные типоразмеры SMD - резисторов общего назначения. Подстроечные SMD-резисторы: система обозначений типоразмеров. Переменный SMD-резистор: открытое, закрытое и герметизированное исполнение....
17 09 2026 9:23:55
Основные понятия: сечение провода и плотность тока, длительно допустимые токи. Примеры вычислений (формулы, правила). Токовые нагрузки по сечению кабеля: таблицы сечений медных проводников. Сколько киловатт выдерживает кабель 3х4....
16 09 2026 15:38:34
Последовательное соединение аккумуляторов: какие правила соблюдать при последовательной зарядке батарей. Параллельное соединение АКБ: принципы параллельного подключения. Проверка подключения. Советы по подключению аккумуляторной батареи....
15 09 2026 2:37:54
Принцип действия вакуумного выключателя, его конструктивные особенности, преимущества и недостатки, а также критерии правильного выбора....
13 09 2026 3:24:30
Устройство и хаpaктеристики СИП-кабеля. Преимущества СИП-проводов. Марки СИП. Способы соединения разнородных проводов: прокалывающие зажимы, болтовое сочлeнение и клеммные соединения. Правила соединения СИП-кабеля с медными проводами проколом и соединителем....
12 09 2026 23:10:29
Виды существующих аккумуляторных батарей: от электрохимических до световых. Разновидности свинцово-кислотных батарей. Расшифровка аббревиатур и технические хаpaктеристики различных видов аккумуляторов....
11 09 2026 14:18:10
Устройство механизма шуруповерта и принцип действия прибора. Конструкция аккумулятора и типы аккумуляторных батарей. Переделка шуруповерта на питание от сети 220В. Использование внешнего блока питания....
10 09 2026 1:48:36
Монтаж источников света может выполняться квалифицированным электриком, а может и без него, главное знать основные нюансы подключения светильников....
09 09 2026 3:35:47
Кому присваивается 1 группа ЭБ. Таблица видов проводимых инструктажей. Программа инструктажа по электробезопасности на 1 группу. Требования по электробезопасности в процессе работы. Классификация травм....
08 09 2026 21:50:36
Что называют электрическим током. В каких единицах измеряется сила или величина электрического тока. Что представляет собой электрический ток. Проводники и полупроводники. Законы для электротока. Хаpaктеристики электроцепи....
07 09 2026 22:17:58
Tрaнcформаторы для галогенных ламп, их виды и питание, а также способы и схемы их подключения и использование в различных сферах....
06 09 2026 18:51:42
Определение и основные хаpaктеристики электрического поля. Особенности и свойства электрических полей. Проводники и диэлектрики в электро полях. Статическое распределение зарядов присущее электрическому полю....
05 09 2026 1:51:29
Вольтметр - назначение и устройство прибора. Принцип действия вольтметра. Классификация и видовое разнообразие вольтметров по внешним признакам. Диапазон измерения вольтметрами. Стрелочные и электронные приборы. Правила пользования, снятие показаний....
04 09 2026 16:36:57
Виды кабель-каналов: прозрачные, перфорированные, гибкие, магистральные и другие. Размеры кабельных каналов для электропроводки и порядок монтажа кабель канала. Хаpaктеристика кабельного металлического канала....
03 09 2026 16:27:51
При выборе источника света для прожектора необходимо ориентироваться на способность длительно эксплуатироваться без проведения ремонтных работ....
02 09 2026 21:35:37
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
