Номер 4, страница 138 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Колебания и волны. Параграф 33. Резонанс. Темы докладов - номер 4, страница 138.

Условие.

4. Резонанс механических волн в природе.

Решение.

Резонанс механических волн — это явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо системе, которое происходит при совпадении частоты внешнего периодического воздействия с собственной (резонансной) частотой колебаний этой системы. Механические волны (звуковые, сейсмические, волны на поверхности воды) распространяются в упругих средах, перенося энергию, и могут вызывать резонанс в различных природных объектах и системах.

Собственная частота колебательной системы $f_0$ зависит от её физических свойств. Например, для простого маятника она определяется его длиной $\text{L}$: $f_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{L}}$, а для системы груз-пружина — массой груза $\text{m}$ и жёсткостью пружины $\text{k}$: $f_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$. Когда частота внешней силы $\text{f}$ приближается к $f_0$, система начинает поглощать энергию волны наиболее эффективно, что и приводит к многократному увеличению амплитуды колебаний.

В природе резонанс механических волн проявляется в различных масштабах и формах:

Сейсмические волны и землетрясения
Во время землетрясений в земной коре распространяются сейсмические волны с различными частотами. Определённые геологические структуры, такие как осадочные бассейны (долины, заполненные рыхлыми породами), имеют свои собственные резонансные частоты. Когда частота сейсмической волны совпадает с собственной частотой такого бассейна, амплитуда колебаний грунта на поверхности может многократно увеличиться по сравнению с колебаниями на скальном основании. Это явление стало причиной катастрофических разрушений во время землетрясения в Мехико в 1985 году. Город построен на дне высохшего озера, и мягкие глинистые отложения усилили сейсмические волны, вызвав резонанс в зданиях определённой высоты (10-20 этажей), что привело к их обрушению.

Приливы в заливах и эстуариях
Приливы и отливы, вызванные гравитационным воздействием Луны и Солнца, представляют собой длинные периодические волны в океане. Некоторые заливы и эстуарии имеют такую геометрию (длину и глубину), что их собственная частота колебаний воды близка к периоду приливной волны (около 12,4 часа). В этом случае возникает приливный резонанс, приводящий к аномально высоким приливам. Ярчайшим примером является залив Фанди в Канаде, где наблюдаются самые высокие приливы в мире, достигающие 16 метров, именно благодаря резонансному усилению.

Воздействие ветра на природные объекты
Ветер, обтекая препятствия (например, скалы, деревья), может создавать периодические вихри (дорожка Кармана). Эти вихри создают периодическую силу, действующую на объект. Если частота срыва вихрей совпадает с собственной частотой колебаний объекта, возникает резонанс. Так могут раскачиваться высокие деревья даже при относительно постоянном ветре. Некоторые скальные образования, например, арки, могут "петь" или гудеть на ветру, если его скорость создаёт вихри с частотой, равной акустической резонансной частоте этих образований.

Акустический резонанс в природных полостях
Пещеры, гроты и каньоны представляют собой естественные резонаторы. Объём и форма полости определяют набор её собственных акустических частот. Звуковые волны от внешних источников (ветер, капающая вода, голоса животных) или возникающие внутри, имеющие частоты, близкие к резонансным, будут усиливаться. Это приводит к возникновению гулких, протяжных звуков, эха и других акустических эффектов, характерных для таких мест.

Резонанс в биологических системах
Слуховой аппарат человека и животных является примером сложной резонансной системы. Улитка внутреннего уха содержит базилярную мембрану, разные участки которой имеют разную толщину и натяжение и, соответственно, разные собственные частоты колебаний. Когда звуковая волна попадает в ухо, определённый участок мембраны входит в резонанс с этой частотой, что позволяет мозгу распознавать высоту звука. Некоторые насекомые, например сверчки, используют резонанс частей своего тела для усиления звуков, издаваемых для общения.

Ответ:
Резонанс механических волн в природе — это явление резкого увеличения амплитуды колебаний природных систем (геологических структур, водных масс, биологических организмов), когда частота внешней механической волны (сейсмической, приливной, звуковой) совпадает с собственной частотой колебаний этих систем. Примерами служат разрушительное усиление сейсмических волн в осадочных бассейнах во время землетрясений, аномально высокие приливы в заливах (например, в заливе Фанди), раскачивание деревьев ветром, возникновение "поющих" звуков в скалах и пещерах, а также работа слухового аппарата животных и человека, основанная на резонансном отклике на звуковые частоты.