Номер 7, страница 123 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические колебания и волны. Параграф 26. Вынужденные колебания. Резонанс. Вопросы для самопроверки - номер 7, страница 123.

Условие.

7. Приведите примеры вредного проявления резонанса. Что нужно сделать, чтобы не допускать резонанс?

Решение.

Примеры вредного проявления резонанса

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает, когда частота внешней периодической силы совпадает с собственной (естественной) частотой колебаний системы. Это может привести к разрушительным последствиям. Ниже приведены примеры вредного проявления резонанса.

1. Разрушение инженерных сооружений. Самый известный пример — обрушение Такомского моста в США в 1940 году. Ветер вызвал периодические вихри, частота которых совпала с одной из собственных частот моста, что привело к неконтролируемому росту амплитуды крутильных колебаний и, как следствие, к его разрушению. Аналогично, здания могут разрушиться во время землетрясения, если частота сейсмических толчков совпадает с собственной частотой колебаний здания. Именно поэтому солдатам приказывают идти не в ногу при переходе через мосты.

2. Вибрации в машинах и механизмах. Вращающиеся или движущиеся части машин, такие как валы двигателей, турбины, воздушные винты, могут вызывать вибрации. Если на определенной скорости частота этих вибраций совпадает с собственной частотой какой-либо части машины или всей конструкции, возникает резонанс. Это приводит к сильной тряске, повышенному шуму, быстрому износу деталей и может стать причиной аварии. Например, несбалансированное колесо автомобиля вызывает сильную вибрацию руля на определенной скорости.

3. Авиационные катастрофы. В авиации существует опасное явление, называемое флаттером. Это самовозбуждающиеся колебания крыла или оперения самолета, возникающие при достижении определенной скорости полета. В этом явлении аэродинамические силы, действующие на конструкцию, вступают в резонанс с ее упругими колебаниями, что может привести к мгновенному разрушению крыла в воздухе.

Ответ: Примерами вредного проявления резонанса являются разрушение мостов и зданий под действием ветра или землетрясений, сильные вибрации и поломки двигателей и других механизмов, а также явление флаттера, приводящее к разрушению самолетов.

Что нужно сделать, чтобы не допускать резонанс?

Для предотвращения разрушительных последствий резонанса в технике и строительстве применяют несколько основных методов. Главная задача — избежать ситуации, когда частота вынуждающей силы $ \omega $ становится равной или очень близкой к собственной частоте системы $ \omega_0 $.

1. Изменение собственной частоты системы. Собственная частота колебательной системы зависит от её физических характеристик, таких как масса, размеры, жесткость. Изменяя эти параметры при проектировании, можно добиться того, чтобы собственная частота $ \omega_0 $ была далека от возможных частот внешних воздействий. Например, можно увеличить жесткость конструкции или изменить её массу. Так, при строительстве небоскребов их проектируют с таким расчетом, чтобы их собственные частоты колебаний не совпадали с характерными частотами порывов ветра или сейсмических волн.

2. Изменение частоты вынуждающей силы. Если возможно, стараются изменить частоту внешней силы, чтобы она не совпадала с $ \omega_0 $. Например, при работе двигателей избегают так называемых «критических скоростей» вращения, при которых возникает резонанс, либо проходят этот диапазон скоростей очень быстро. Упомянутая выше команда «сбить шаг» для солдат на мосту является примером устранения периодической внешней силы.

3. Демпфирование колебаний. Демпфирование — это введение в систему сил трения или вязкого сопротивления, которые приводят к затуханию колебаний, рассеивая их энергию. Увеличение демпфирования значительно снижает амплитуду колебаний при резонансе. Даже если $ \omega = \omega_0 $, при сильном демпфировании амплитуда не достигнет опасных значений. Для этого используются специальные устройства — демпферы. Примеры: автомобильные амортизаторы, поглощающие колебания подвески; специальные динамические гасители колебаний (массивные маятники), устанавливаемые в высотных зданиях (например, в небоскребе Тайбэй 101) для противодействия раскачиванию от ветра.

Ответ: Чтобы не допускать резонанс, необходимо: 1) изменить собственную частоту колебательной системы, чтобы она не совпадала с частотой внешней силы; 2) изменить частоту внешней силы; 3) увеличить затухание (демпфирование) колебаний в системе, чтобы уменьшить амплитуду при резонансе.