Номер 5, страница 181 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 4. Механические колебания и волны. Параграф 22. Превращения энергии при колебаниях. Резонанс - номер 5, страница 181.

Условие.

5. Может ли резонанс быть опасным? Приведите примеры, иллюстрирующие ваш ответ.

Решение.

Да, резонанс может быть очень опасным и разрушительным.

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешней периодической силы $f_{ext}$ с собственной (природной) частотой колебательной системы $f_0$. Когда это происходит, система начинает очень эффективно поглощать энергию от внешнего источника. Амплитуда колебаний может вырасти до таких больших значений, что это приведёт к деформации или полному разрушению системы.

Вот несколько примеров, иллюстрирующих опасность резонанса:

1. Разрушение мостов. Классическим примером является обрушение Такомского моста (Tacoma Narrows Bridge) в США в 1940 году. Даже умеренный ветер вызвал образование вихрей, которые создали периодическую силу, действовавшую на мост. Частота этой силы совпала с собственной частотой крутильных колебаний моста. В результате возник резонанс, амплитуда колебаний моста стала огромной, что и привело к его полному разрушению. Похожая причина лежит в основе правила, предписывающего солдатам при переходе через мост сбивать шаг («идти не в ногу»). Ритмичные шаги марширующей роты могут создать периодическую силу с частотой, близкой к собственной частоте моста, что может вызвать его опасные колебания.

2. Разрушение зданий при землетрясениях. Во время землетрясения почва совершает колебания с определенными частотами. Если собственная частота колебаний здания совпадает с доминирующей частотой колебаний почвы, возникает резонанс. Амплитуда колебаний здания резко возрастает, что может привести к его обрушению, даже если само землетрясение не было чрезвычайно сильным. Именно поэтому при проектировании зданий в сейсмоопасных зонах инженеры стремятся к тому, чтобы их собственные частоты не попадали в диапазон наиболее вероятных частот сейсмических волн.

3. Авиация и транспорт. В авиации существует опасное явление под названием «флаттер» — самовозбуждающиеся колебания крыла или других элементов конструкции самолета. На определенных скоростях полета аэродинамические силы могут вызвать вибрации, частота которых совпадает с собственной частотой конструкции, что приводит к резонансу и может вызвать разрушение самолета в воздухе. В автомобилях резонанс может проявиться в виде сильной вибрации всего кузова на определенной скорости из-за разбалансировки колес.

4. Бытовой пример. Можно разбить стеклянный бокал силой голоса. Если издать достаточно громкий и чистый звук, частота которого совпадает с собственной частотой колебаний стенок бокала, то из-за резонанса амплитуда этих колебаний будет нарастать до тех пор, пока напряжение в материале не превысит предел прочности, и бокал разрушится.

Ответ: Да, резонанс может быть опасным. Это явление возникает, когда частота внешней воздействующей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, что приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний и, как следствие, к возможному разрушению системы. Примерами являются обрушение мостов (Такомский мост), разрушение зданий при землетрясениях и явление флаттера в авиации.