Номер 7, страница 58 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 2. Механические колебания и волны. Параграф 8. Вынужденные колебания. Резонанс. Вопросы - номер 7, страница 58.

Условие.

7. Что нужно сделать, чтобы не допустить резонанса?

Решение.

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое возникает, когда частота внешней периодической силы ($\omega$) совпадает или становится очень близкой к собственной (природной) частоте колебательной системы ($\omega_0$). Условие возникновения резонанса: $\omega \approx \omega_0$. Это явление может быть как полезным (в музыкальных инструментах), так и крайне опасным, приводящим к разрушению конструкций (мостов, зданий). Чтобы не допустить негативных последствий резонанса, применяют следующие методы.

Избегание совпадения частот
Это основной и самый эффективный способ борьбы с резонансом. Задача состоит в том, чтобы собственная частота системы $\omega_0$ и частота внешней силы $\omega$ были как можно дальше друг от друга. Достичь этого можно двумя способами:
1. Изменение частоты внешней силы ($\omega$). Если возможно, изменяют режим работы механизма так, чтобы его рабочая частота не попадала в резонансную зону. Например, солдатам при переходе через мост запрещают идти в ногу, чтобы частота их шагов не совпала с собственной частотой колебаний моста.
2. Изменение собственной частоты системы ($\omega_0$). Этот метод предполагает изменение физических параметров самой конструкции: её массы, жесткости или геометрических размеров. Например, для системы «груз на пружине» собственная частота колебаний равна $\omega_0 = \sqrt{k/m}$, где $\text{k}$ — жесткость, а $\text{m}$ — масса. Изменяя эти параметры на этапе проектирования, можно «увести» собственную частоту системы от частоты возможных внешних воздействий.

Увеличение затухания (демпфирование)
Демпфирование — это введение в систему сил (например, трения или сопротивления воздуха), которые приводят к рассеиванию энергии колебаний. Увеличение затухания не устраняет само явление резонанса, но оно значительно снижает максимальную амплитуду колебаний при резонансе, делая ее безопасной. Чем больше демпфирование, тем ниже и шире резонансный пик. Ярким примером служат амортизаторы в автомобилях, которые гасят колебания подвески, и специальные динамические гасители колебаний (демпферы) в небоскребах и на мостах для противодействия ветровым и сейсмическим нагрузкам.

Быстрое прохождение резонансной зоны
В тех случаях, когда работа механизма предполагает изменение частоты в широком диапазоне (например, при разгоне или торможении двигателя), избежать прохождения через резонансную частоту невозможно. В такой ситуации необходимо проходить эту «опасную» зону частот как можно быстрее. Это не дает колебаниям времени, чтобы их амплитуда успела возрасти до критических значений.

Ответ: Чтобы не допустить резонанса, необходимо: 1) сделать так, чтобы частота внешней силы не совпадала с собственной частотой системы (путем изменения одной из этих частот); 2) увеличить затухание в системе (демпфирование), чтобы уменьшить максимальную амплитуду колебаний; 3) при работе механизмов с переменной частотой — проходить резонансную зону как можно быстрее.