Колебания в природе и технике. Резонанс

Цель: создать презентацию по теме минипроекта, используя накопленный материал.
Показать явление резонанса с помощью
установки лаборатории L-микро.
Задача: накопить и разобрать материал для минипроекта и презентации, собрать установку
разобраться в принципе ее действия и изучить с
ее помощью явление резонанса.
В природе большинство колебаний –
губительны для человека. Такое явление,
как землетрясение является ярким
примером колебаний в природе.
Примеры периодических
процессов в биологии
Многие цветки закрывают
венчики с наступлением
темноты; у большинства
животных наблюдается
периодичность появления
потомства; известно
периодическое изменение
интенсивности фотосинтеза у
растений; колебания
испытывают размеры ядер в
клетках и т. д.
Судьба всего живого
определяется не только
вращением Земли вокруг своей
оси и Солнца. Солнце также
диктует свои законы. Если мы
обратим внимание на ширину
колец в поперечном разрезе
дерева и посчитаем, через
сколько колец повторяются более
широкие, то убедимся, что
каждое одиннадцатое кольцо —
широкое. Рост дерева изменяется
в зависимости от состава и
интенсивности солнечного
излучения. А оно изменяется с
периодом 11 лет!
В технике без колебаний не обходится почти ни одна машина или
станок.
Вибрация (кoлебание , дрожание) — механические колебания
твердых тел.
Возникновение вибрации
Вибрация возникает в самых разнообразных технических
устройствах (работающие электродвигатели,
металлообрабатывающее оборудование, железобетонные
конструкции, двигатели автомобилей и ракет и.т.д.) вследствие
несовершенства их конструкции, неправильной эксплуатации,
внешних условий (например, рельеф дорожного полотна для
автомобилей), а так же специально генерируемая вибрация.
Флаттер
В аэродинамике известно явление, называемое флаттером и
представляющее собой вредные колебания крыла в полете. У
скоростных самолетов эти колебания, происходящие с большой
амплитудой, могут привести к поломке крыльев. Долго не могли
найти средства гашения этих колебаний. Один из найденных
впоследствии методов устранения флаттера оказался очень
простым. У передней кромки на конце каждого крыла делалось
утяжеление — оно гасило вредные колебания.
Природа в течение веков также выработала средство борьбы с
флаттером. Особенно четко оно выражено у стрекоз. На каждом
крыле в вершинной его части у переднего края имеется темное
хитиновое утолщение. Удаление его не лишает стрекозу
возможности летать, но нарушает правильность колебаний крыла,
стрекоза начинает как бы порхать. Опыты показали, что эти
утолщения регулируют колебания крыла, избавляют его от
вредных колебаний типа флаттера.
Резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний при
совпадении частот вынуждающей силы и собственных колебаний
системы.
При совпадении частоты внешней силы и
частоты собственных колебаний тела
амплитуда вынужденных колебаний резко
возрастает. Такое явление называют
механическим резонансом. Графически
зависимость амплитуды вынужденных
колебаний от частоты действия внешней
силы показана на рисунке.
ωс – частота собственных
колебаний системы
ω- частота внешней силы
Вынужденные механические колебания и резонанс,
продемонстрированные с помощь оборудования L-микро.
Цель опыта: Изучить явления резонанса на примере нитяного
маятника, подвешенного внутри вращающейся рамы.
Эксперимент, организованный с помощью оборудования L-микро,
помог нам хорошо усвоить учебный материал, а также
самостоятельно провести интересные опыты.
Цифровой датчик угловой скорости совместили
с демонстрационным измерительным прибором. Установку для
проведения демонстрационных экспериментов собрали на базе
рамы, смонтированной на вращающемся диске.
Вращение рамы обеспечивал электродвигатель постоянного тока,
питание которого осуществляется от блока управления.
В нашем случае длина подвеса нитяного маятника
составляла 22см, что соответствовало частоте колебаний
примерно 1,1Гц. Таким образом, частота колебаний
маятника находилась внутри диапазона частот вращения
установки, и при совпадении частоты вращения и
собственной частоты колебаний маятника наблюдалось
значительное увеличение амплитуды его колебаний, т.е.
наблюдался резонанс. В эксперименте резонансная кривая
демонстрируется в виде двух ветвей: показывается
отклонение маятника от положения равновесия при
возрастании частоты вращения от 0.25 до 1.1 Гц и
развитие колебаний при уменьшении частоты вращения от
3 до 1Гц.
Полезный резонанс
Прибегают к резонансу и в
обыденной жизни: выталкивая
автомобиль из ямы, его
раскачивают взад-вперёд.
Без чрезмерных усилий можно
увеличить амплитуду колебаний
настолько, что машина выкатится
на ровное место.
Использование резонанса –
раскачивание качелей, машины
для утрамбовки бетона,
частотомеры.
Явление резонанса может быть причиной разрушения машин,
зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с
частотой периодически действующей силы. Бороться
с
резонансом можно следующими методами:
1.Увеличением силы трения в системе, т.к. при отсутствии трения
амплитуда вынужденных колебаний при резонансе может
возрастать со временем неограниченно.
2.Добиваться несовпадения частоты колебаний системы с
частотой вынуждающей силы. Поэтому, например, на мостах
поезда движутся с определенной скоростью, двигатели в
автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а
воинским подразделениям при движении по мосту запрещается
идти «в ногу».
Еще раз о главном
1.Резонанс может возникнуть в системе, в которой
существуют вынужденные колебания.
2.Чем больше в системе трения, тем менее ярко
выражен резонанс.
3.Резонанс может быть полезным и вредным.