Rezonans

1
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №9»
Ступинского муниципального района
Реферат с элементами исследования
«Мост волнуется: раз…»
Автор: Шубина Татьяна, 8 класс
Руководитель: Лукьянова С.Н.
учитель физики
г. Ступино
2015
2
Оглавление
1.Введение…………………………………………………...…………..3
2. Резонанс……………………………………………………………….4
3. Резонанс мостов в истории…………………………………………..4
4. Опыты и примеры…………………………………………………….6
5. Вывод………………………………………………………………….9
6. Список использованной литературы………………………………..10
3
1. Введение
В мае 2010 года, когда я была еще в начальной школе, по телевизору
часто крутили видео «танцующего» моста в Волгограде.
Тогда для объяснения этого явления мне достаточно было услышать
«это физика». Но сейчас, в 8 классе, изучая физику второй год, мне
захотелось узнать причины такого поведения моста. Более того, в старшей
школе нужно определяться, какую специальность выбрать в будущем, и на
данный момент я остановила свой выбор на архитектуре.
Поэтому целью моей работы является не только изучение необычного
явления с точки зрения физики, но и выяснение возможных способов его
избегания с точки зрения архитектуры.
4
2. Резонанс
Ответ на вопрос о танцующем мосте «что это было?» я моментально
нашла ответ на просторах интернета: виновник происшествия – резонанс. Я
сразу решила найти примеры резонанса мостов. Так как объяснения «это
резонанс» мне не достаточно, а эту тему изучают только в 9 классе, мне
пришлось изучить резонанс не подробно, а лишь в общих чертах. Изучив
несколько источников информации, наиболее понятным я нашла следующее
определение: «Резонанс – (от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь)
явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какойлибо колебательной системе, наступающее при приближении частоты
периодического внешнего воздействия к некоторым значениям,
определяемым
свойствами
самой
системы»
(http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/126841/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B
E%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81).
Разобрав подробнее, я узнала, что резонанс – резкое возрастание
амплитуды вынужденных колебаний – колебаний, происходящих под
воздействием внешних периодических сил.
Внешние периодические силы – не что иное, как шаги человека, езда
машин, порывы ветра и прочие воздействия, в нашем случае, на мост.
3. Резонанс мостов в истории:
Изучив резонанс в архитектуре, я узнала, что резонанс является
причиной даже разрушения мостов. Одним из примеров является разрушение
Египетского моста (на тот момент деревянного) в Санкт-Петербурге (1906 г.)
длиной 46 м, по которому в ногу проходил кавалерийский эскадрон. Частота
шагов эскадрона совпала с частотой колебания моста, из-за чего размахи
колебания моста резко увеличились. После этого, во избежание разрушения
солдаты не ходят в ногу по мостам. Это даже прописано в Уставе
Вооруженных сил.
5
Но я решила найти пример, похожий на резонанс волгоградского моста,
где одной из внешних сил является движение машин, и нашла.
Водители автомобилей, проезжавшие утром 7 ноября 1940 г. по
Такомскому мосту (США) длиной 855 м, оказались свидетелями, на первый
взгляд, сверхъестественного явления. Несмотря на сравнительно небольшой
ветер (~17 м/с), проезжая часть изгибалась с частотой 36 колебаний в минуту,
а амплитуда колебаний моста достигла целых 1,5 метра.
Движение прекратилось, многие автомобили остались брошенными на
мосту. Амплитуда колебаний возрастала. Лопнуло центральное крепление,
после чего колебания моста изменили свой характер, амплитуда резко
увеличилась, и вскоре обломки моста рухнули в воды Такомского пролива.
6
Резонанс моста был вызван вихрями воздуха, частота которых
совпала с одной из частот моста. Амплитуда колебаний недопустимо
возросла, что и привело к разрушению гигантского сооружения.
С тех пор прошло не меньше 70 лет, но мосты по-прежнему
входят в резонанс, а проблема так и не решена.
Опыты и примеры:
В
одном
из
источников
информации
(http://www.stroitelstvonew.ru/tehnika/rezonans-v-tehnike.shtml) я прочитала следующее: «Балку висячего
моста можно сравнить с доской, положенной концами на опоры. Когда на
ней подпрыгивает мальчик, доска изгибается то вверх, то вниз. Если попасть
в такт этих колебаний, то ее размахи будут становиться все больше и больше,
пока, наконец, доска не переломится». Прочитав это и поняв, что резонанс
моста можно сымитировать буквально в домашних условиях, именно этим я
и решила заняться.
Изучив также, что резонанс бывает акустический и магнитный, с
помощью электромагнитной катушки, двух тонких длинных деревянных
реек, пластинки железа и собранного папой специального устройства,
позволяющего менять частоту электромагнитных импульсов, подающихся на
катушку, я и папа смоделировали явление резонанса моста.
Опыт 1:
Приклеив суперклеем железную пластинку к деревянной планке,
найденной на шкафу, поставили ее на 2 опоры.
7
Опоры «моста»: маленькие справочники с одной стороны и банка конфет с
другой:
Положив под «мост» катушку с намотанной проволокой ровно там, где
приклеен магнит,
проконтролировав, что катушка не прикасается к магниту, проведя листом
бумаги между ними,
8
подавали на нее импульсы
постепенно увеличивая их частоту.
тока,
Пластина и катушка начинали притягиваться (магнититься) с
определенной частотой, в такт следования импульсов, но колебания «моста»
были не сильными. Мы продолжали увеличивать частоту, и вдруг в какой-то
момент колебания дощечки резко усилились, а их амплитуда составила 3 мм.
Можно было подумать, что это вовсе не резонанс, а притягивание доски
магнитом. Тогда, чем больше напряжение, тем больше притягивание и,
следовательно, больше амплитуда колебаний. Однако, после небольшого
увеличения частоты следования импульсов, амплитуда колебаний заметно
уменьшилась. Значит, нам удалось добиться резонанса в тот момент, когда
амплитуда колебаний составила 3 мм.
Что будет, если подложить дополнительные опоры под «мост»? Доска
стала совершать едва заметные колебания, т.к. колебания совершались в
пролетах «моста» от одной опоры до другой. Поставив дополнительную опору,
мы уменьшаем длину пролета, и частота его собственных колебаний на этом
отрезке изменяется, становится отличной от предыдущей, поэтому та частота
импульсов, которая подходила ранее, больше не будет вызывать резонанса.
9
Опыт 2:
Приклеив такую же металлическую пластину к деревянной линейке,
которая короче, уже и тяжелее рейки из 1 опыта, начали проделывать опыт
заново. Но линейка совершала лишь едва заметные колебания при каждой
попытке подобрать нужную частоту.
4. Вывод:
На примерах из пункта 3 и проделанных опытов можно сделать вывод,
что на мосты разной величины, разной длины, разного материала, при
воздействии разных сил будет действовать резонанс. Резонанс приводит к
разрушению сооружений, обрыву проводов, раскачиванию вагонов на
рельсах.
Но если изменить хотя бы один фактор, влияющий на частоту (длина
пролета, плотность материала), изменив этим частоту колебаний моста,
можно быть уверенным, что частота внешних сил, подходившая раньше, не
будет совпадать с новой частотой и, следовательно, резонанс происходить не
будет.
10
Список использованной литературы:
http://www.stroitelstvo-new.ru/tehnika/rezonans-v-tehnike.shtml
http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/Pictures/Mechanical_oscillation_and_waves/%D0%A
0%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81.pdf
Энциклопедический словарь юного физика, стр.229-233
http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/126841/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%BE
%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81