Резонанс: його значення у фізиці, причини і приклади явища

Чому солдатам, які зазвичай марширують стройовим кроком при перетині моста дається команда йти «вільно»? Тому, що маршируючи по мосту, вони можуть його обрушити. Відбувається це внаслідок цікавого фізичного явища резонансу. Втім, явище резонансу активно вживається не тільки у фізиці. Скажімо, термін «суспільний резонанс» означає реакцію великої кількості людей на якусь подію, будь то політичну, економічну, соціальну. Але в нашій статті ми поговоримо саме про фізичний резонанс, його значення у фізиці, причини і найбільш яскраві приклади з життя.

Визначення

Першим, хто дав визначення того, що таке резонанс був великий італійський вчений Галілео Галлією, який активно займався не тільки астрономічними спостереженнями, але і роботою з маятником, теорією струн і багатьма іншими речами у фізиці.

Отже, у перекладі з латині слово «резонанс» буквально означає «відгукуюся», і означає фізичне явище, при якому власні коливальні рухи, стаючи вимушеними, багаторазово збільшують свою амплітуду, відповідаючи на впливи зовнішнього середовища.

Або якщо по-простому, то резонанс це відгук на якийсь подразник ззовні, це синхронізація частот коливань (кількості коливань в секунду) певного тіла (або цілої системи) з зовнішньою силою, яка впливає на нього. Внаслідок фізичного резонансу завжди відбувається збільшення амплітуди коливань тіла або системи.

Уявіть собі дитячі гойдалки, щоб розкачати їх сильніше, вам необхідно прикладати силу таким чином, щоб її коливання збігалися з коливаннями самої гойдалки. Як результат таких дій гойдалки будуть розгойдуватися все сильніше і сильніше, або, кажучи по-науковому – амплітуда їх коливань буде збільшуватися. Дитячі гойдалки, мабуть, найпростіший і яскравий приклад резонансу з нашого життя.

Втім, є у резонансу і свій антипод – дисонанс. Дисонанс (з латині перекладається як “розбіжний”) – прямо протилежне явище, що означає розбіжність, невідповідність. Якщо до тих же розкачаних гойдалок почати прикладати силу хаотично, тобто хаотично їх смикати туди-сюди, то незабаром вони зупиняться, амплітуда їх руху знизиться до нуля. Або ще один наочний приклад: якщо ви жарким літнім днем вийдете на вулицю у шубі, це теж буде дисонанс, так як ваш одяг буде абсолютно не відповідати погоді.

Добротність

Резонанс у фізиці часто пов’язаний з добротністю. Що це таке? Під добротністю розуміється ступінь чуйності коливальної системи, рівень інтенсивності її відгуку. На все тому ж прикладі з гойдалками можна уявити, що є дві гойдалки, одні з них старі та іржаві, а другі нові, недавно побудовані. Щоб розгойдати старі та іржаві гойдалки потрібно докласти набагато більше зусиль, ніж нові, тобто добротність у старих гойдалок (як коливальної системи) буде в рази нижче, ніж у гойдалок нових.

Логічно, що різні показники добротності призводять до різних наслідків:

• При низькому ступені добротності коливальна система не буде зберігати довгий час змушені коливання, і дуже скоро повернеться до природних коливань.
• В певних ситуаціях висока добротність може бути небезпечною, так як сильний резонанс і багаторазове збільшення амплітуди коливань призведе до руйнування фізичного тіла.

Види і приклади

Тільки в самій фізиці розрізняють такі види резонансу як:

• Механічний резонанс – це все ті ж вищезгадані гойдалки, резонанс мосту від роти солдатів, резонанс дзвону і т. д. Одним словом, резонанс, викликаний механічними впливами.
• Акустичний резонанс – це резонанс, завдяки якому працюють всі струнні музичні інструменти: гітара, скрипка, лютня, балалайка, банджо і т. д. До речі корпус музичних інструментів неспроста має свою форму. Звук, видаваний струною при щипку, потрапляє всередину корпусу і там вступає в резонанс зі стінками, що в результаті призводить до його посилення. З цієї причини якість звучання тієї ж гітари сильно залежить від того матеріалу, з якого вона зроблена і навіть від лаку яким вона покрита.
• Електричний резонанс – являє собою збіг частоти коливань зовнішньої напруги з частотою коливань електричного кола, по якому йде струм.

Крім цих суто фізичних резонансів є ще вже згаданий нами суспільний резонанс – яскравий відгук суспільства на якусь подію (зазвичай політичну або економічну), наприклад брекзіт Британії, її вихід з Європейського союзу викликав широкий суспільний резонанс у багатьох країнах Європи і, особливо, зрозуміло, в самій Британії.

Є також і когнітивний резонанс – це повний збіг у поглядах і думках. Наприклад, ви познайомилися з новою людиною, а вона думає так само як ви, у вас абсолютно схожі погляди, смаки, уподобання, тоді має місце когнітивний резонанс. І протилежне явище – когнітивний дисонанс, коли ви абсолютно не згодні з кимось або чимось, абсолютно не приймаєте те, що відбувається. (Наприклад, автор цієї статті, опинившись в якомусь українському бюрократичному закладі, будь-то ЖЕКу, БТІ або податковій відчуває справжній когнітивний дисонанс)).

Небезпека і користь

Резонанс, як і будь-яке інше фізичне явище, сам по собі не є ні поганим, ні хорошим, так як може приносити як користь, так і шкоду. Наприклад, саме резонанс допомагає витягти автомобіль, що застряг в бруді або снігу, планомірне розгойдування авто, то взад, то вперед із збільшенням амплітуди коливань допомагає звільнити його з полону.

А ось хрестоматійний негативний приклад дії резонансу описаний в самому початку нашої статті, і пов’язаний з мостами. Якщо рота солдат стройовим кроком пройде по мосту, то може якщо й не зруйнувати його, то значно пошкодити, тому, що викличе сильний резонанс власних коливань поверхні мосту з коливаннями від маршу «нога в ногу» сотень солдатів.

Втім, сильний резонанс моста може статися і не тільки від роти солдатів, конструкторам і архітекторам давно відоме таке поняття як «Такомський міст» – це міст побудований з сильними порушеннями будівельних норм. Справа в тому, що в 40-х роках ще XIX століття в США сталося обвалення висячого моста. Причиною обвалення був резонанс. Але рота солдатів по мосту не марширувала, винуватцем на цей раз був вітер – коливання вітру вступили в резонанс з власними коливаннями конструкції моста і в результаті викликали його обвалення.

З тих пір технології будівництва мостів зазнали значні зміни, а інженери, конструктори і архітектори при проектуванні своїх об’єктів обов’язково беруть до уваги явище резонансу. Цей феномен необхідно враховувати не тільки при будівництві мостів, але і при зведенні висотних споруд, антен, високих опор, словом всього того, що теоретично може увійти в резонанс з повітряними потоками.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора

Ця стаття доступна англійською мовою – Resonance in Physics: Explanation in Simple Language.