Резонанс — это физическое явление. Теория и реальные примеры
Физики разработали модель, с помощью которой можно оценить критическое количество шагающих по мосту пешеходов, которое приведет к его резкому раскачиванию. По словам авторов исследования, опубликованного в Science Advances , предложенная ими модель позволит в будущем строить более безопасные пешеходные мосты.
Несмотря на то, что при проектировании пешеходных подвесных мостов сейчас используются самые современные пакеты для компьютерного моделирования, все равно иногда наблюдаются ситуации, когда из-за большого количества пешеходов на мосту он внезапно начинает сильно колебаться. Иногда эти колебания могут быть настолько сильными, что становятся причиной возникновения небезопасных ситуаций и разрушения части конструкций. Наиболее показательными примерами являются открытие моста Сольферино в Париже в 1999 году или регулярно раскачивавшийся мост Миллениум в Лондоне, который пришлось из-за этого перестраивать вскоре после открытия.
Раскачивающийся мост является классической колебательной системой, в которой шагающие пешеходы являются источниками внешней периодической силы. При совпадении собственной частоты колебаний моста с частотой внешней силы система приходит в резонанс, и амплитуда колебаний резко увеличивается. Если же источников внешней силы много и у всех них одинаковая частота (то есть пешеходы совершают одинаковое количество шагов за одинаковые промежутки времени), то между ними может еще происходить синхронизация фазы, когда все начинают шагать одновременно. Именно синхронизацию фазы обычно называют основной неучтенной причиной при проектировании, которая приводит к возникновению резонансных колебаний на реальных мостах. Несмотря на актуальность проблемы, все предыдущие модели, описывающие такой механизм, не могли объяснить пороговый эффект такого явления: при числе пешеходов меньше критического мост почти не раскачивается, но как только количество пешеходов, шагающих в ногу, превысит определенное значение, наблюдается резкое увеличение амплитуды поперечных колебаний.
Группа физиков из США и России под руководством Игоря Белых (Igor Belykh) из Университета штата Джорджия предложила новую модель, которая, помимо остальных параметров, учитывает и биомеханику человеческого тела в момент совершения шага. В рассматриваемой системе сам мост является колебательной системой, в которой под действием шагающих пешеходов возникают затухающие вертикальные колебания. Для описания шагающего человека рассмотрели две биомеханические модели (более полную и ее упрощенный аналог), которые учитывают, что в ответ на вертикальное колебание моста человек наклоняется в сторону и возбуждает таким образом поперечные колебания.
Схема рассматриваемой физической системы. Слева изображен мост, в котором шагающие пешеходы возбуждают его колебания, справа - человек, который реагирует на движение моста, вызывая тем самым его поперечные колебания
I. Belykh et al./ Science Advances
Точного аналитического решения для полученной системы уравнений нет, поэтому для нахождения решений авторы работы использовали численные методы. В отличие от всех предыдущих, предложенная модель привела к возникновению порогового эффекта. Если все пешеходы шагают в ногу, то при увеличении числа людей на мосту может внезапно возникнуть неустойчивость. Для подтверждения работы модели, физики проверили ее для описания раскачивания лондонского моста Миллениум, для которого даже известно точное количество человек, которое приводило к резонансу - 165.
При этом такой же эффект наблюдался и в случае, когда частота шага у разных пешеходов немного варьировалась, что еще сильнее приближает модель к реальности. Кроме того, оказалось, что наличие синхронизации фазы критично только для колебания очень тяжелых мостов (как тот же мост Миллениум, который весит около 130 тонн) с большой амплитудой. Возбуждение же колебаний с маленькой амплитудой возможно даже без синхронизации фазы. Такие случаи тоже наблюдались в реальности, и одним из возможных механизмов возбуждения колебаний даже единственным источником ученые называют смену скорости шага при движении по мосту.
В своей работе физики выразили надежду, что предложенная ими модель будет в дальнейшем использоваться для более точного проектирования безопасных подвесных и пешеходных мостов.
Для диагностики повреждений, которые появляются на крупных мостах, сейчас используются различные методы, основанные на исследовании механических характеристик и выявлении дефектов с помощью ультразвука. Недавно для осмотра мостов, в том числе и их подводных частей, дроны.
Александр Дубов
Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можете ли вы точно сказать, что такое резонанс?
Если ответ отскочил у вас от зубов, мы вами по-настоящему гордимся! Ну а если тема «резонанс в физике» вызывает вопросы, то советуем прочесть нашу статью, где мы подробно, понятно и кратко расскажем о таком явлении как резонанс.
Прежде, чем говорить о резонансе, нужно разобраться с тем, что такое колебания и их частота.
Колебания и частота
Колебания – процесс изменения состояний системы, повторяющийся во времени и происходящий вокруг точки равновесия.
Простейший пример колебаний - катание на качелях. Мы приводим его не зря, этот пример еще пригодится нам для понимания сути явления резонанса в дальнейшем.
Резонанс может наступить только там, где есть колебания. И не важно, какие это колебания – колебания электрического напряжения, звуковые колебания, или просто механические колебания.
На рисунке ниже опишем, какими могут быть колебания.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний - это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.
Частота колебаний (измеряется в Герцах) - это количество колебаний в единицу времени. 1 Герц - это одно колебание за одну секунду.
Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.
Толкая качели в определенный момент и с определенной периодичностью можно довольно сильно раскачать их, прилагая совсем немного усилий.Это и будет резонанс: частота наших воздействий совпадает с частотой колебаний качелей и амплитуда колебаний увеличивается.
Суть явления резонанса
Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы.
Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.Суть явления резонанса в физике состоит в том, что амплитуда колебаний резко возрастает при совпадении частоты воздействия на систему с собственной частотой системы.
Примеры резонанса
Явление резонанса наблюдается в самых разных физических процессах. Например, звуковой резонанс. Возьмём гитару. Само по себе звучание струн гитары будет тихим и почти неслышным. Однако струны неспроста устанавливают над корпусом – резонатором. Попав внутрь корпуса, звук от колебаний струны усиливается, а тот, кто держит гитару, может почувствовать, как она начинает слегка «трястись», вибрировать от ударов по струнам. Иными словами, резонировать.
Еще один пример наблюдения резонанса, с которым мы сталкиваемся - круги на воде. Если кинуть в воду два камня, попутные волны от них встретятся и увеличатся.
Действие микроволновки также основано на резонансе. В данном случае резонанс происходит в молекулах воды, которые поглощают излучение СВЧ (2,450 ГГц). Как следствие, молекулы входят в резонанс, колеблются сильнее, а температура пищи повышается.
Резонанс может быть как полезным, так и приносящим вред явлением. А прочтение статьи, как и помощь нашего студенческого сервиса в трудных учебных ситуациях, принесет вам только пользу. Если в ходе выполнения курсовой вам понадобится разобраться с физикой магнитного резонанса, можете смело обращаться в нашу компанию за быстрой и квалифицированной помощью.
Напоследок предлагаем посмотреть видео на тему «резонанс» и убедиться в том, что наука может быть увлекательной и интересной. Наш сервис поможет с любой работой: от реферата "Сеть интернет и киберпреступность" до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.
Мост Такома-Нэрроуз (Такомский мост) относится к разряду висящих мостовых сооружений. Находится в штате Вашингтон, Соединенные Штаты Америки. Проложен через Такома-Нерроузкий пролив, который, в свою очередь, является частью залива Пьюджет-Сауд.
История создания
Изначально строился по проекту Леона-Соломона Моисеева, выходца из России. Он известен как инженер-конструктор, строитель мостов, активный участник общественной жизни. Такомский мост открыли для передвижения в июле 1940 года. Уже при его возведении строители обратили внимание на колебания и раскачивания полотна дороги моста при усилении ветра. Это было обусловлено недостаточно высокой балкой жесткости. В обиходе мост стал называться «Голопирующей Герти».
Характеристики моста
На время постройки Такомского моста он являл собой примечательное сооружение. Это была висячая (вантовая) трехпролетная конструкция. Общая длина ее составляла 1810 метров. А длина центрального подвешенного пролета - 854 метра. В ширину мост был около 12 метров. Основные несущие тросы в диаметре составляли 438 миллиметров. Балка жесткости достигала в высоту 2,44 метра, что было признано в последующем просчетом. Конструкцию моста держали стальные пилоны, стоящие на бетонных опорах (быках).
Крушение
7 ноября 1940 года, когда период эксплуатации составлял всего четыре месяца, произошло разрушение Такомского моста. В этот день скорость ветра достигла 65 км/час. С учетом того, что в этот день движение на мосту было минимальным, это позволило избежать человеческих жертв.
Сам факт разрушения в динамике был запечатлен на кинопленку. Это позволило в последующем тщательно изучить и исследовать этот процесс. Кинохроника и фото моста Такома-Нэрроуз в процессе его разрушения действительно очень впечатляющие.
На основании кинопленки был создан получивший всемирную известность документальный фильм The Tacoma Narrows Bridge Collapse.
Причины разрушения
По результатам исследований, изучения документальных материалов установлено, что основным фактором, приведшим к аварии, стали вызванные сильным ветром запредельные динамические крутильные колебания. Выяснено, что проект Такомского моста рассчитывали и проектировали с учетом только статистических и ветровых нагрузок. Однако возможное воздействие на его конструкцию аэродинамических факторов не изучалось.
Колебание полотна моста возникло из-за Оно стало усиливаться вследствие вертикального колебания тросов. Ослабление троса с одной стороны моста и напряжение с другой породили крутильные явления, привели к наклону пилонов и, как следствие, к обрыву подвесок центрального пролета. Мост оказался конструктивно излишне гибким, обладающим небольшой сопротивляемостью к поглощению динамических сил.
Киносъемка зафиксировала, что мост стал раскачиваться тогда, когда скорость ветра составляла порядка 19 метров в секунду. Хотя в проекте устойчивость его к ветрам рассчитывалась, исходя из 50 метров в секунду.
Выводы
Разрушение Такомского моста заставило конструкторов-мостостроителей (и не только) начать исследования в области аэродинамики, аэродинамической устойчивости конструкций и сооружений. Это привело к изменению взглядов на проектирование мостов с большими пролетами.
В теории причиной стали обозначать явление вынужденного механического резонанса. Однако в практике считается, что к ней привел т. н. аэроупругий флаттер (крутильные колебания) вследствие недостаточных расчетов по ветровым нагрузкам еще на стадии проектирования.
Новый мост
Разбор рухнувшего сооружения начали сразу же после аварии. Был осуществлен демонтаж пилонов и боковых пролетов. Этот процесс длился до 1943 года, когда начали возводить новый мост. От старого сооружения применение нашли основания пилонов, анкерные устои, некоторые другие части. Воссозданный мост ввели в эксплуатацию в октябре 1950 года. Он стал на тот период третьим в мире висячим мостом (исходя из длины в 1822 метра).
В целях придания и для снижения нагрузок аэродинамического характера в его элементы ввели фермы открытого типа. Установили дополнительные стойки жесткости. Он оборудован деформационными швами и системами гашения вибраций. Мост мог пропускать до 60 тысяч автомобилей за сутки.
В 2007 году параллельно действующему был построен еще один мост. Цель постройки - увеличение пропускной способности шоссе. Длина его составляет 1645,9 м, а ширина - 853,4 м. Высота пилонов - 155,4 метра.
В школьном курсе физики говорится о том, что солдаты, проходя строем по мосту, должны перестать маршировать и идти обычным шагом. Для чего же такие предосторожности? Эта команда даётся солдатам, чтобы не разрушить мост. Дело в том, что если частота моста совпадёт с частотой строевого шага, то мост в результате возникшего резонанса может рухнуть. И такое порой случается...
САМЫЙ ОБЫЧНЫЙ РЕЗОНАНС
Итак, что же такое резонанс? В упрощённом виде резонанс - это гармоничная связь между разными колебаниями. Так, при вибрации машин и механизмов происходит самопроизвольное отвинчивание гаек. Или если две гитары настроены в унисон, то стоит ударить по струне одной гитары, как такая же струна другой гитары без какого-либо вмешательства тут же начнёт колебаться, издавая точно такой же звук. Для того, чтобы убедиться в феномене резонанса, проводили такой эксперимент. На определённом удалении друг от друга устанавливали два рояля и соединяли их металлической проволокой. Затем на одном из них исполняли то или иное музыкальное произведение. И второй рояль начинал повторять ту же самую мелодию, хотя к нему никто не прикасался.
Знаменитый Фёдор Шаляпин пел так, что в концертном зале вдребезги разлетались лампочки. Это происходило оттого, что частота колебаний его голоса совпадала с частотой колебания стеклянных лампочек. Резонанс не подчиняется ни законам пространства, ни времени. Он словно бы из какого-то другого мира, не подвластного земным законам. Резонанс происходит не оттого, что предметы находятся рядом друг с другом, потому что у них определенная гармоническая связь. Эти предметы могут разделять тысячи километров, но незримая связь между ними останется.
Более того, учёные и исследователи, работающие в этой отрасли физики, утверждают, что законам резонанса подчинено всё, что находится как во Вселенной, так и в её отдельных структурах, допустим на Земле. Вот пример действия резонанса во взаимоотношениях людей. Человек чаще всего общается с подобными себе людьми - интеллигенты с интеллигентами, пропойцы с пропойцами и т.п. По такому же принципу люди находят себе спутника жизни.
Принцип действия резонанса ещё в древности сформулировал, даже не ведая, какой закон он открывает, греческий мыслитель Гермес Трисмегист: "Подобное притягивает к себе подобное". В резонансе с вибрациями Земли находится только те сооружения, которые изготовлены из естественных, природных материалов, т.е. из дерева, камня и т.п. К ним, например, можно отнести, все пирамиды Земли. Поэтому при глобальных катаклизмах или смещении полюсов они могут устоять и сохраниться, в то время как все объекты из искусственного материала будут полностью разрушены.
У резонанса много и загадочных сторон. Так, если о параллельных мирах говорить как об объективной реальности, то присутствие представителей этих миров мы иногда ощущаем и даже чувствуем на себе. Одним из признаков параллельности миров является то, что параллельные линии не пересекаются, однако он порой не соблюдается, и их миры с нашим земным миром всё же пересекаются. По всей видимости, это происходит оттого, что на границе двух миров возникает некая резонансная вибрация и нарушает принцип параллельности.
РЕЗОНАНСЫ ТЕСЛЫ И ШУМАНА
Одним из первооткрывателей удивительных и ранее не изученных свойств резонанса был известный американский учёный и изобретатель Никола Тесла. Принцип резонанса и вибраций лежал буквально во всех открытиях и изобретениях Теслы. Нью-Йорк, 1898 год. Проводя очередной эксперимент, Никола Тесла включил прибор и стал наблюдать, как под воздействием ультразвука завибрировал водопровод, затем вибрация перекинулась на стены, потом завибрировало всё здание. Оно вибрировало всё сильнее и сильнее! Учёному стало ясно - ещё мгновение, и произойдёт непоправимое. На раздумывание времени не оставалось, и Тесла, схватив молоток, ударил им по своему детищу. Позже до Николы дошло, что он чуть не разрушил целый квартал. Он понял, что даже самое незначительное колебание, если ему не давать затухнуть, может вызвать самые страшные разрушения. Так был открыт избирательный резонанс!
После этого происшествия Тесла заявил журналистам: "Чтобы познать тайны Вселенной, надо мыслить категориями энергий, частот и вибраций. Применяя принцип резонанса, я за несколько недель могу вызвать в земной коре такие колебания, что она будет опадать и приподниматься на сотни футов, выбрасывая реки из русел...". Позже Тесла утверждал, что если запустить резонанс, соответствующий колебаниям земной коры, то он может в клочья разнести целую планету. В 1915 году Тесла сообщил, что его устройство способно вызывать разрушения на любом расстоянии. "Я уже построил беспроволочный передатчик, с помощью которого мы можем отправлять электрическую энергию в любых количествах на любые расстояния". Так что одной из версий Тунгусского взрыва смело можно назвать результат эксперимента Николы Тесла с его любимым резонатором. Но мог ли Тесла направить энергию в конкретное место? Доктор технических наук Дмитрий Стребков уверен, что это вполне реально - имея два радара, можно фиксировать любой объект на Земле.
Спустя полвека исследования продолжил немецкий физик Отто Шуман. В содружестве с врачом Гербертом Кёнигом он открыл так называемые стоячие электромагнитные волны, расположенные между ионосферой и поверхностью Земли. Кстати, в 2011 году волны Шумана были зафиксированы космическим спутником на высоте 850 км. Это пространство представляет собой Земля огромный сферический резонатор. Впоследствии эти волны получили название волн Шумана. Если эта волна, совершив виток вокруг земного шара, снова совпадёт со своей фазой и войдёт с ней в резонанс, то она просуществует очень долгое время. Герберт Кении же заявил о совпадении частоты этой волны с диапазоном альфа-волн человеческого мозга.
Таким образом, человек живёт как бы внутри такого резонатора, благодаря чему волны Шумана стабилизируют его биологические ритмы и нормализуют жизнедеятельность. Эти так необходимые для нас волны возбуждаются магнитными процессами на Солнце, разрядами молний. Отсутствие или слабая активность волн способны вызвать потерю ориентации, головокружение, головную боль. Особенно остро это ощущают пожилые и хронические больные.
Из-за ухудшения экологии Земли, что происходит сегодня, частота Шумана может изменяться в худшую сторону. И тогда физическое тело человека может потерять связь с частотными излучениями Земли, что чревато губительными последствиями. Но пока люди будут соблюдать общечеловеческие нравственно-моральные ценности, не будет оказывать отрицательного воздействия на заложенные в них программы, они будут находиться в резонансе с излучениями Земли, с волнами Шумана. При регулярном выполнении таких условий, на Земле может наступить упомянутый Нострадамусом Золотой век.
МАШИНА ХАЭРОНИМУСА
Довольно уникальный прибор изобрёл Галлен Хаэронимус, американский инженер по электронике. Состоит он из эндовибратора и металлической пластины. Аппарат Галлена Хаэронимуса получил 1948 году патент США за № 2482?773. Суть его изобретения в том, что "оператор" настраивает свой мозг на того или иного человека и, вызывая резонанс, проводит пальцами по специальной резиновой диафрагме.
Хаэронимус поочерёдно вставил фотографии астронавтов "Аполлона-11", отправляющихся на Луну, в специальное устройство своей "машины времени". Таким образом он мог контролировать состояние астронавтов на всём протяжении полета. Из отчёта: "...самое важное и пугающее то, что Луну окружает пояс, излучающий смертельные дозы радиации. Простирается он примерно на 65 миль от поверхности Луны и начинается в 15 футах от неё. Также отмечен рост онкологических показателей астронавтов и снижение их жизненной активности. Такое состояние длилось до тех пор, пока они не оказались на поверхности Луны".
"Я ИЗОБРЁЛ РЕЗОНАТОР МЫСЛЕЙ!"
Жорж де ла Варр, профессор физики из Оксфорда, ставя свои таинственные опыты, порой месяцами не покидал стен лаборатории. Наконец, настало время, когда он торжественно воскликнул: "Я изобрёл резонатор мыслей!" Возможности резонатора были не просто уникальны - они не были ограничены ни временем, ни пространством!
В своё время учёный пришёл к выводу, что практически все предметы распространяют вокруг себя электромагнитные излучения. Причём частоты части этого предмета идентичны частотам целого предмета. Это в первую очередь говорило о том, что связь между ними не исчезает, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. Точно так же фотография того или иного человека тесно связана с её оригиналом.
И де ла Варр нашёл способ получения фотографии предметов вместе с их излучением - с этой целью им была изобретена специальная фотокамера. Изучая полученные снимки, профессор обратил внимание, что при определенных условиях эти предметы содержат незначительные отличия от их фотографического изображения. "Снимки показывают состояние предметов во времени" - озарила его мысль, - а если применить ещё и резонатор, то фотографии окажутся вне времени!". Начались уникальные эксперименты. Во время одного из них де ла Варр заснял... день собственной свадьбы. Для этого он наполнил своей кровью и кровью жены две пробирки и, усевшись поудобнее, мысленно представил себе далёкий 1929 год - год их свадьбы и щёлкнул затвором...
На фотографии были запечатлены он сам и его жена - молодые и счастливые. И окрылённый успехом де ла Варр стал помещать в резонирующее поле капли крови тех, кто страдал серьезными болезнями. После фотографирования просматривал снимки пораженных органов. Сейчас это изобретение взято на вооружение медиками и носит название магнитно-резонансной томографии.
Вот что говорит по этому поводу сам изобретатель: "Кровь - это единственная действующая машина времени, и ей управляют мысли человека. Наши мысли - это электромагнитные излучения определенных частот, аналогичные частоты имеют и сердца людей, эмбрионы. Всё, что находится в потоке времени, отзывается на наши мысли". Надо сказать, его открытие внесло немалый вклад и в криминалистику. Фотографируя в поле резонатора кровь подозреваемого и его жертвы, можно получить детальные фотоснимки совершения преступления.
ВСЕЛЕНСКИЙ ЗАКОН КОСМИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ
Вселенная с её бесчисленными галактиками, звёздами и планетами - это единая электромагнитная среда, и одним из её законов является Закон простых и сложных резонансов. Зачастую главная причина земных катаклизмов и катастроф кроется в резонансе двух и более космических циклов. Принято считать, что эти циклы находятся в остром резонансе, если во времени они смещены не более чем на 3 часа. В резонансные дни на Земле начинаются землетрясения, извержения вулканов, ураганы, эпидемии, а также внезапное и резкое изменение погоды. Кроме этого увеличивается число авиационных, железнодорожных, морских катастроф, нарушается работа компьютеров. Что же касается людей, то у них наблюдаются сбои работы головного мозга и психики.
10 апреля 2010 года на военном аэродроме Смоленской области потерпел крушение самолет с президентом Польши Качиньским и его супругой. Всего на борту Ту-134 находилось 96 человек - никто из них не выжил. Лех Качиньский собирался в этот день посетить под Смоленском Катынское кладбище.
Владимир Плескач, специалист по резонансу и биоритмам, уверен, что эта катастрофа - следствие мощного резонанса, который возник из-за особого соотношения биоритмов пассажиров авиалайнера и всех искренне скорбящих. Иными словами, на борту Президентского самолёта находились пассажиры, сердца и души которых были переполнены скорбью и болью по соотечественникам, погибшим весной 1940 года в Катыни. Но что произошло - то произошло! Владимир же прилагал все усилия, чтобы отстоять честь погибших вместе со всеми лётчиками, которые оказались крайними в этой трагедии. Здесь рухнувший самолёт можно сравнить с тем самым обрушившимся мостом.
Владимир ЛОТОХИН
