Номер 1, страница 163 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. «Вредные проявления резонанса».

2. «Резонанс на службе у человека».

3. «Устройство и принцип действия частотометра».

4. «Биорезонансная терапия».

1. «Вредные проявления резонанса»

Резонанс – это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в системе, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к собственной частоте колебаний системы. Хотя резонанс имеет множество полезных применений, он также может быть причиной катастрофических разрушений и неисправностей.

Одним из самых известных и трагических примеров вредного проявления резонанса является разрушение мостов. В 1940 году обрушился Такомский мост в США. Причиной стала ветровая нагрузка: срыв вихрей с конструкций моста создавал периодическую силу. Частота этой силы совпала с одной из собственных частот крутильных колебаний моста, что привело к возникновению резонанса, огромному увеличению амплитуды колебаний и, в конечном итоге, к полному разрушению. Похожие случаи происходили и ранее, например, с Бротонским подвесным мостом в Англии (1831 г.) и мостом в Анже во Франции (1850 г.), которые разрушились под воздействием идущих в ногу солдат. Ритмичные шаги создавали периодическую силу, частота которой совпадала с собственной частотой моста.

В технике и на транспорте резонанс также представляет серьезную угрозу. Несбалансированные вращающиеся детали машин, например, колеса автомобиля или валы двигателей, могут вызывать сильные вибрации на определенных скоростях (резонансных). Эти вибрации не только вызывают дискомфорт, но и приводят к ускоренному износу и поломке деталей. В авиации существует опасное явление «земного резонанса» вертолетов, когда при определенных условиях на земле колебания шасси и несущего винта входят в резонанс, что может привести к полному разрушению машины за считанные секунды.

Акустический резонанс также может иметь разрушительные последствия. Классический пример – разбивание бокала звуком. Если частота звуковой волны совпадает с собственной частотой колебаний стенок бокала, его колебания усиливаются до тех пор, пока напряжение в стекле не превысит предел прочности. В зданиях низкочастотный шум от транспорта или промышленного оборудования может вызывать резонансные колебания оконных стекол и других элементов, создавая неприятный гул и вибрацию.

Для борьбы с вредными проявлениями резонанса инженеры применяют несколько методов:
1. Демпфирование – введение в систему элементов, поглощающих энергию колебаний (например, амортизаторы в автомобилях, динамические гасители колебаний в небоскребах).
2. Отстройка от резонансной частоты – изменение массы или жесткости конструкции, чтобы ее собственная частота не совпадала с частотой возможных внешних воздействий.
3. Устранение или ослабление периодического воздействия (например, команда солдатам «идти не в ногу» при переходе через мост, балансировка вращающихся деталей).

Ответ: Вредные проявления резонанса заключаются в разрушительном увеличении амплитуды колебаний, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой системы. Это приводит к разрушению мостов (Такомский мост), поломкам техники из-за вибраций, а также к другим нежелательным эффектам в различных областях. Борьба с резонансом ведется путем демпфирования, изменения собственных частот систем или устранения вынуждающей силы.

2. «Резонанс на службе у человека»

Несмотря на свою потенциальную разрушительную силу, явление резонанса широко и эффективно используется человеком в самых разных областях науки и техники. Способность систем избирательно откликаться на воздействия определенной частоты лежит в основе многих приборов и технологий.

В музыке и акустике резонанс играет ключевую роль. Корпуса струнных инструментов (гитар, скрипок) и столбы воздуха в духовых инструментах (флейтах, трубах) спроектированы как резонаторы. Они усиливают слабые колебания, создаваемые струной или губами музыканта, на определенных (резонансных) частотах, обогащая звук обертонами и придавая ему громкость и характерный тембр. Речевой аппарат человека также использует резонанс: полости рта и носа действуют как резонаторы, формируя гласные звуки.

В радиотехнике и электронике резонанс является фундаментальным принципом. Настройка радиоприемника на нужную станцию – это, по сути, настройка колебательного LC-контура в резонанс с частотой радиоволны этой станции. Резонансная частота контура определяется его индуктивностью L и емкостью C по формуле: $f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$. Когда резонансная частота контура совпадает с частотой сигнала станции, амплитуда тока в контуре резко возрастает, что позволяет выделить нужный сигнал из множества других. Кварцевые резонаторы, используемые в часах и компьютерах, обеспечивают высочайшую стабильность частоты благодаря очень острому механическому резонансу пьезокристалла кварца.

Медицина также активно использует резонанс. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – один из самых информативных методов диагностики. Он основан на явлении ядерного магнитного резонанса: ядра атомов водорода в теле пациента помещаются в сильное магнитное поле и облучаются радиочастотными импульсами на их резонансной частоте. Ядра поглощают энергию, а затем излучают ее, что позволяет построить детальное послойное изображение внутренних органов и мягких тканей. Другой пример – ударно-волновая литотрипсия, метод неинвазивного разрушения камней в почках. На камень фокусируются ультразвуковые импульсы, частота которых вызывает в нем резонансные колебания, приводящие к его разрушению на мелкие фрагменты.

В быту мы сталкиваемся с резонансом каждый день, используя микроволновую печь. Она генерирует электромагнитные волны на частоте около 2.45 ГГц. Эта частота близка к одной из резонансных частот молекул воды. Молекулы воды в пище поглощают энергию волн, их колебания резко усиливаются, что приводит к быстрому нагреву продукта изнутри.

Ответ: Резонанс широко используется человеком: в музыке для усиления и формирования звука, в радиотехнике для настройки на нужную частоту, в медицине для диагностики (МРТ) и лечения (литотрипсия), в быту для разогрева пищи (микроволновые печи), а также в часовых механизмах для обеспечения точности хода. Использование резонанса позволяет избирательно воздействовать на системы и усиливать нужные эффекты.