Вынужденные колебания. Резонанс

Слайд 1. Вынужденные колебания. Резонанс

Физика, 11 класс: как внешняя сила управляет движением

Слайд 2. Что такое вынужденные колебания?

Вынужденные колебания — это колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы.

В отличие от свободных колебаний, которые со временем затухают из-за трения, вынужденные колебания могут длиться бесконечно долго, пока действует внешняя сила. Эта сила восполняет потери энергии системы.

Слайд 3. Условия возникновения

Наличие колебательной системы (например, груз на пружине).

Действие внешней вынуждающей силы $F(t)=F_0\cos (\omega t)$.

Частота вынужденных колебаний всегда равна частоте вынуждающей силы $\omega$.

Установившийся режим: амплитуда колебаний становится постоянной, когда работа внешней силы равна потерям на трение.

Слайд 4. Явление резонанса

Резонанс — это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты внешней силы $\omega$ с собственной частотой системы ${\omega }_0$.

В этой точке передача энергии от внешнего источника к системе становится максимально эффективной.

Слайд 5. Сравнение видов колебаний

Главное отличие: в вынужденных колебаниях система «подчиняется» внешнему ритму, а не своим внутренним свойствам.

Слайд 6. Резонанс в механике: примеры

Обрушение мостов: если ритм шагов колонны солдат совпадет с частотой моста.

Раскачивание колокола: даже слабая сила, приложенная в такт, раскачает тяжелый объект.

Слайд 7. Резонанс вокруг нас

Настройка радио: мы меняем параметры контура, пока его частота не совпадет с частотой станции.

Музыкальные инструменты: деки гитар и скрипок усиливают звук за счет резонанса с вибрацией струн.

Микроволновая печь: частота волн совпадает с частотой колебаний молекул воды в пище.

Слайд 8. Борьба с резонансом

Резонанс может быть опасен для зданий при землетрясениях или для деталей двигателей.

Чтобы избежать разрушений, инженеры:

1. Изменяют массу или жесткость конструкции (меняют ${\omega }_0$).

2. Увеличивают трение (используют демпферы и амортизаторы).

3. Изолируют систему от внешних вибраций.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему солдатам приказывают идти «вольно» (не в ногу) при переходе через мост?

Как изменится резонансная кривая, если смазать маслом трущиеся детали механизма?

Почему дребезжит стекло в окне, когда по улице проезжает тяжелый грузовик?

Может ли голос оперного певца действительно разбить бокал?

Слайд 10. Главные выводы

Вынужденные колебания происходят под действием внешней периодической силы.

Частота таких колебаний всегда равна частоте внешней силы.

Резонанс — это резкий рост амплитуды при совпадении частот $\omega \approx {\omega }_0$.

Чем меньше трение в системе, тем выше и острее пик резонанса на графике.

Резонанс может быть как полезным (радио, музыка), так и разрушительным (техника, архитектура).