Резонанс — это физическое явление. Теория и реальные примеры

Достигает наибольшего зна-чения, когда частота вынуждающей силы равна собственной час-тоте колебательной системы.

Отличительной особенностью вынужденных колебаний явля-ется зависимость их амплитуды от частоты изменения внешней силы . Для изучения этой зависимости можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке:

На кривошипе с ручкой укреплен пружинный маятник. При равномерном вращении руч-ки на груз через пружину передается действие периодически изменяющейся силы. Изменяясь с частотой, равной частоте враще-ния ручки, эта сила заставит груз совершать вынужденные колебания. Если вращать ручку кривошипа очень медленно, то груз вместе с пружиной будет перемещаться вверх и вниз так же, как и точка подвеса О . Амплитуда вынужденных колебаний при этом будет невелика. При более быстром вращении груз начнет колебаться сильнее, и при частоте вращения, равной собственной частоте пружинного маятника (ω = ω соб ), амплитуда его колебаний достигнет максимума. При дальнейшем увеличении частоты вра-щения ручки амплитуда вынужденных колебаний груза опять станет меньше. Очень быстрое вращение ручки оставит груз почти неподвижным: из-за своей инертности пружинный маятник, не успевая следовать изменениям внешней силы, будет просто дро-жать на месте.

Явление резонанса можно продемонстрировать и с нитяными маятниками. Подвесим на рейке массивный шар 1 и несколько ма-ятников, имеющих нити разной длины. Каждый из этих маятников имеет свою собственную частоту колебаний, которую можно определить, зная длину нити и ускорение свободного падения.

Теперь, не трогая легких маятников, выведем шар 1 из положения равновесия и отпустим. Качания массивного шара вызовут периодические колебания рейки, вследствие которых на каждый из легких маятников начнет действовать периодически изменяющаяся сила упругости. Частота ее изменений будет равна частоте колебаний шара. Под действием этой силы маятники начнут совершать вынужденные колебания. При этом маятники 2 и 3 останутся почти неподвижными. Маятники 4 и 5 будут колебаться с немного большей амплитудой. А у маятника б , имеющего такую же длину нити и, следовательно, собственную частоту колебаний, как у шара 1, амп-литуда окажется максимальной. Это и есть резонанс.

Резонанс возникает из-за того, что внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями тела, все время совершает положительную работу. За счет этой работы энергия колеблющегося тела увеличивается, и амплитуда колебаний возрастает.

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при ω = ω соб называется резонансом .

Изменение амплитуды колебаний в зависимости от частоты при одной и той же амплитуде внешней силы, но при различных коэффициентах трения и, изображено на рисунке ниже, где кривой 1 соответствует минималь-ное значение и, кривой 3 — максимальное.

Из рисунка видно, что о резонансе имеет смысл говорить, если зату-хание свободных колебаний в системе мало. Иначе амплитуда вынужден-ных колебаний при ω = ω 0 мало отличается от амплитуды колебаний при других частотах.

Явление резонанса в жизни и в технике.

Явление резонанса может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Известно, например, что тяжелый «язык» большого колокола может раскачать даже ребенок, но при условии, что будет тянуть за веревку в такт со свободными колебаниями «языка».

На применении резонанса основано действие язычкового частотомера. Этот прибор представляет собой набор укрепленных па общем основании упругих пластин различной длины. Собствен-ная частота каждой пластины известна. При контакте частотомера с колебательной системой , частоту которой нужно определить, с наибольшей амплитудой начинает колебаться та пластина, частота которой совпадает с измеряемой частотой. Заметив, какая пластина вошла в резонанс, мы определим частоту колебаний системы.

С явлением резонанса можно встретиться и тогда, когда это совершенно нежелательно. Так, на-пример, в 1750 г. близ города Анжера во Франции через цепной мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат. Частота их шагов совпала с частотой свободных колебаний моста. Из-за этого размахи ко-лебаний моста резко увеличились (наступил резонанс), и цепи оборвались. Мост обрушился в реку.

В 1830 г. по той же причине обрушился подвесной мост около Манчестера в Англии, когда по нему маршировал военный отряд.

В 1906 г. из-за резонанса разрушился Египетский мост в Петербурге, по которому проходил кавалерийский эскадрон.

Теперь для предотвращения подобных случаев войсковым частям при переходе через мост приказывают «сбить ногу», идти не строевым, а вольным шагом.

Если же через мост проезжает поезд, то, чтобы избежать резонанса, он проходит его либо на медленном ходу, либо, наоборот, на максимальной скорости (чтобы частота ударов колес о стыки рельсов не оказалась равной собственной частоте моста).

Собственной частотой обладает и сам вагон (колеблющийся на своих рессорах). Когда частота ударов его колес на стыках рельсов оказывается ей равной, вагон начинает сильно раскачиваться.

Явление резонанса встречается не только на суше, но и в море, и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре разви-тия авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

Из курса обучения в школе и институте многие вынесли определение резонанса, как явления постепенного или резкого возрастания амплитуды колебаний некоторого тела, когда к нему прикладывается внешняя сила с определенной частотой. Однако ответить практическими примерами на вопрос, что такое резонанс, могут немногие.

Физическое определение и привязка к объектам

Резонанс, согласно определению, можно понять как достаточно простой процесс:

• существует тело, находящееся в состоянии покоя или колеблющееся с определенной частотой и амплитудой;
• на него действует внешняя сила с собственной частотой;
• в случае, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой рассматриваемого тела, возникает постепенное или резкое возрастание амплитуды колебаний.

Однако, на практике явление рассматривается в виде гораздо более сложной системы. В частности, тело может быть представлено не как единый объект, а сложная структура. Резонанс возникает при совпадении частоты внешней силы с так называемой суммарной эффективной колебательной частотой системы.

Резонанс, если рассматривать его с позиций физического определения, непременно должен приводить к разрушению объекта. Однако, на практике существует понятие добротности колебательной системы. В зависимости от ее значения, резонанс может приводить к различным эффектам:

• при низкой добротности система не способна в большой мере сохранять поступающие извне колебания. Поэтому наблюдается постепенное повышение амплитуды собственных колебаний до того уровня, когда сопротивление материалов или соединений не приводит к стабильному состоянию;
• высокая, близкая к единице добротность - самая опасная среда, в которой резонанс приводит, зачастую, к необратимым последствиям. Среди них может быть как механическое разрушение объектов, так и выделение большого количества тепла на уровнях, которые могут привести к возгоранию.

Также, резонанс возникает не только при действии внешней силы колебательного характера. Степень и характер реакции системы, в большой степени, отвечает за последствия действия направленных извне сил. Поэтому резонанс может возникнуть в самых разных случаях.

Хрестоматийный пример

Самый употребительный пример, которым описывается явление резонанса - это случай, когда рота солдат шла по мосту и обрушила его. С физической точки зрения в этом явлении нет ничего сверхъестественного. Шагая в ногу, солдаты вызвали колебания , которые совпали с собственной эффективной колебательной частотой системы моста.

Множество людей посмеивалось над данным примером, считая явление только теоретически возможным. Но достижения технического прогресса доказали теорию.

В сети существует реальное видео поведения пешеходного моста в Нью-Йорке, который постоянно сильно раскачивался и едва не рухнул. Автор творения, которое собственной механикой подтверждает теорию, когда резонанс возникает от движения людей, даже хаотического - французский архитектор, автор подвесного моста Виадук Мийо, сооружения с самыми высокими опорными колоннами.

Инженеру пришлось потратить много времени и денег, чтобы снизить добротность системы пешеходного моста до приемлемого уровня и добиться того, чтобы не было значительных колебаний. Пример работы над данным проектом - это иллюстрация того, как последствия резонанса можно обуздать в системах с низкой добротностью.

Примеры, которые повторяют многие

Еще один пример, который даже участвует в анекдотах - это раскалывание посуды звуковыми колебаниями, от занятий на скрипке и даже пения. В отличие от роты солдат, данный пример неоднократно наблюдался и даже специально проверялся. Действительно, возникающий при совпадении частот резонанс приводит к раскалыванию тарелок, бокалов, чашек и другой посуды.

Это пример развития процесса в условиях системы с высокой добротностью. Материалы, из которых сделана посуда - это достаточно упругие среды , в которых колебания распространяются с малыми затуханиями. Добротность таких систем очень высока, и хотя полоса совпадения частот довольно узкая, резонанс приводит к сильному увеличению амплитуды, в результате чего материал разрушается.

Пример действия постоянной силы

Еще один пример, где проявилось разрушительное действие - это рухнувший Такомский подвесной мост. Данный случай и видео волнообразного раскачивания конструкции даже рекомендовано к просмотру на факультетах физики университетов, как самый хрестоматийный пример такого явления резонанса.

Разрушение подвесного моста под действием ветра - это иллюстрация того, как относительно постоянная сила вызывает резонанс. Происходит следующее:

• порыв ветра отклоняет часть конструкции - внешняя сила способствует возникновению колебаний;
• при обратном движении конструкции, сопротивления воздуха недостаточно, чтобы погасить колебание или снизить его амплитуду;
• вследствие упругости системы, начинается новое движение, которое усиливает ветер, продолжающий дуть в одном направлении.

Это пример поведения комплексного объекта, где резонанс развивается на фоне высокой добротности и значительной упругости, под действием постоянного воздействия силы в одном направлении. К сожалению, Такомский мост - это не единственный пример обрушения конструкций. Случаи наблюдались и наблюдаются по всему миру, в том числе и в России.

Резонанс может применяться и в контролируемых, четко определенных условиях. Среди всего множества примеров можно легко вспомнить радиоантенны, даже разрабатываемые любителями. Здесь применяется принцип резонанса при поглощении энергии электромагнитной волны . Каждая система разрабатывается под отдельную полосу частот, в которой наиболее эффективна.

Установки МРТ применяют другой тип явления - различное поглощение колебаний клетками и структурами человеческого тела. Процесс ядерного магнитного резонанса использует излучение различной частоты. Резонанс, возникающий в тканях, приводит к легкому распознаванию конкретных структур. Меняя частоту, можно исследовать те или иные области, решать разнообразные задачи.

Вынужденные колебания - колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы.

Второй закон Ньютона для такого осциллятора запишется в виде: . Если ввести обозначения:и заменить ускорение на вторую производную от координаты по времени, то получим следующее дифференциальное уравнение:

Решением этого уравнения будет сумма общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного. Общее решение однородного уравнения было уже получено здесь и оно имеет вид:

где A ,φ произвольные постоянные, которые определяются из начальных условий.

Найдём частное решение. Для этого подставим в уравнение решение вида: и получим значение для константы:

Тогда окончательное решение запишется в виде:

Резона ì нс (фр. resonance , от лат. resono - откликаюсь) - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.

Увеличение амплитуды - это лишь следствие резонанса, а причина - совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс - явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.

Наиболее известная большинству людей механическая резонансная система - это обычные качели. Если вы будете подталкивать качели в соответствии с их резонансной частотой, размах движения будет увеличиваться, в противном случае движения будут затухать. Резонансную частоту такого маятника с достаточной точностью в диапазоне малых смещений от равновесного состояния, можно найти по формуле:

где g это ускорение свободного падения (9,8 м/с² для поверхности Земли), а L - длина от точки подвешивания маятника до центра его масс

Резонансные явления могут вызвать необратимые разрушения в различных механических системах, например, неправильно спроектированных мостах. Так, в 1905 году рухнул Египетский мост в Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон, а в 1940 - разрушился Такомский мост в США. Чтобы предотвратить такие повреждения существует правило, заставляющее строй солдат сбивать шаг при прохождении мостов.

Р
езонансная кривая колебательного контура Резонансная кривая колебательного контура: w0 - частота собственных колебаний; W - частота вынужденных колебаний; DW - полоса частот вблизи w0, на границах которой амплитуда колебаний V = 0,7 Vmakc. Пунктир - резонансная кривая двух связанных контуров.

26. Основные понятия и исходные положения положения термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы).

Термодинамика - раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии

Перечень начал термодинамики

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.(Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил)

ΔU = Q − A

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии. dS≥0 (Неравенство Клаузиуса )

Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

Обратимый процесс (то есть равновесный) - термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.

Обратимые процессы дают наибольшую работу. Боìльшую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, теплопроводность и др.

Термодинами ì ческие ци ì клы - круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают.

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, циклы Стирлинга и Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара - регенератора

Что общего между звуками прекрасной музыки, катанием на качелях, грозой и молитвой? Как мы связаны со своей Землей? И что происходит, когда работают целители? Этому явлению дано очень простое определение — резонанс .

Резонанс, как основа всех явлений в природе

С переходом к новому веку, как обычно, не было недостатка в предсказаниях относительно тенденций развития науки и техники. Значительно реже встречались высказывания о будущем самого человечества как вида. Если не брать в расчет глобальные катаклизмы типа затопления-оледенения или столкновения с астероидом, то пожалуй, наиболее важное, ярко выраженное масштабное явление, способное сильно повлиять на человека - это электромагнитные поля. Даже для тех, у кого невидимый мир населен ангелами, бесами и другими сущностями, он реально пронизан электромагнитными колебаниями, вибрациями самых разных частот, порожденными как человеком, так и самой природой. Однако видим мы менее одного процента всего этого великолепия.

Распространяются эти колебания в виде волн. Замечательно, что колебания и волны любой природы описываются одними и теми же уравнениями. И если разобраться с некоторыми понятиями, удобными для рассуждений о колебаниях и волнах, то мы довольно неожиданно сможем выйти на очень разные явления в жизни, о которых точно думали, но «не у кого было спросить». Начнем с того, что легче ощутить.

Вибрации и колебания, волны, резонанс в музыке

Вот, например, восхитительное явление - резонанс. Не только музыканты знают, что если бы не резонанс, то музыки не существовало бы. Щипком струны, ударом молоточка по ней или потоком воздуха в трубке исполнитель создает только слабое первоначальное колебание. Оно осталось бы незамеченным, если бы не резонатор или, проще говоря, корпус инструмента, который способен откликаться на каждую частоту, усиливать ее, придавать тембр.
Такое возможно потому, что у этого резонатора есть свои резонансные частоты, то есть он способен усиливать, окрашивать и продлевать некоторые колебания струны. Но не любые, а только те, которые близки к так называемым собственным частотам. А эти последние зависят, прежде всего, от размеров и формы корпуса-резонатора. И еще от множества тонкостей, куда входят вид древесины, влажность её и т.п. Вот здесь-то и проявляется мастерство изготовителя инструмента, о котором мы так часто слышим. В случае удачи инструмент будет петь в руках исполнителя в полном соответствии с той музыкой, что звучит в его душе.

Интересно, что, по современным понятиям, органы и системы человеческого тела имеют собственные частоты колебаний, которые звуковая волна усиливает или подавляет, тем самым влияя на их функции.

Бывают резонансы и другого вида. Механический резонанс, например. Можно хорошо ощутить механический резонанс, предаваясь всеми любимому веселому занятию - раскачиванию на качелях. Развлекая себя или ребенка, мы прилагаем силу нужного направления в строго определенный момент. Точная формула для определения этого момента довольно сложна, как ни странно. Но каждый легко определяет его инстинктивно. Очень странно выглядел бы человек, который пытается раскачать качели, подталкивая их не вовремя, то есть не в резонансе с собственной частотой его колебаний. Здесь уместно сказать, наконец, что такое частота колебания. Она показывает, сколько раз в секунду качели придут в одно и то же место своей траектории. Ну, скажем для определенности, - в то место, где их толкают. И если частота колебаний качелей совпадает с частотой толчков, возникает явление резонанса - тогда размах колебаний качелей будет возрастать. Для наших дальнейших рассуждений важно, что при резонансе некие внешние воздействия синхронизованы во времени с внутренними свойствами системы, то есть максимально реализован принцип «в нужное время в нужном месте».

Явление механического резонанса способно причинить и жуткий вред. Известен случай разрушения моста, по которому маршировала рота солдат. Мост-то, наверное, рассчитывался на очень большие нагрузки. Но резонанс! Кто же мог предполагать, что собственная частота колебаний моста совпадет с ритмом продвижения роты. Солдаты шли в ногу, синхронно чеканили шаг, как один большой солдат. И именно с той частотой, которая была резонансной для этого моста! С той поры в уставе отмечено, что при передвижении по мосту необходимо сбивать шаг.

Мы познакомились со звуковыми и механическими резонансами. И теперь легче будет разобраться с самыми интересными резонансами - электромагнитными.

Резонанс другого уровня взаимодействия — электромагнитный

Резонанс Шумана

Мы живем в слое между поверхностью Земли и ионосферой, нижняя граница которой находится на уровне примерно 80 км и называется слоем Хевисайда. Если представить Землю в виде апельсина размером 5 сантиметров, то этот слой будет на высоте 3 миллиметра, то есть этот слой очень близко к Земле. Длинноволновая радиосвязь возможна только благодаря слою Хевисайда, потому что именно от него происходит отражение радиоволн, огибающих Землю. Земля - хороший проводник электрического тока, в любом случае на ней для этого достаточно воды, причем две трети из нее - соленая вода океанов. В ионосфере тоже есть чему обеспечивать проводимость - солнечный свет отрывает электроны от молекул газов разреженной атмосферы, создается плазма. В пространстве между этими сферами - воздух, слабый проводник. Получается симметричный сферический конденсатор, образованный двумя помещенными друг в друга проводящими сферами. При этом Земля заряжена отрицательно, а ионосфера - положительно. Такая система называется волноводом, в ней хорошо распространяются электромагнитные волны.

Те волны, которые являются резонансными для этого гигантского природного волновода, могут несколько раз огибать Землю. Совершенно аналогично тому, как звук резонирует в объеме музыкального инструмента. Какие это частоты? Такую задачу в 1949 поставил перед своими студентами на занятиях по электрофизике профессор Мюнхенского технического университета Винфред Отто Шуман. Если подойти к вопросу приблизительно и просто, достаточно знать размеры Земли и ее ионосферы, чтобы рассчитать эти частоты. Получилось, что в полости Земля - ионосфера могут распространяться (резонировать) электромагнитные волны довольно низкой, даже сверхнизкой частоты - 10 герц. Вскоре Шуман и экспериментально обнаружил такие волны и опубликовал статью об этом в каком-то физическом журнале. Эти волны так и стали называть - резонансы Шумана. А откуда же они вообще взялись, эти волны, в полости Земля - ионосфера? Молнии! Их, оказывается, так много вблизи Земли - в среднем около сотни разрядов за минуту. Молнии производят целый спектр электромагнитных колебаний. Но только те из них, что совпадают с собственными частотами природного волновода, то есть с рассчитанной частотой около 10 герц, могут огибать Землю несколько раз за секунду.

Никто поначалу не придал особого значения этим открытиям, даже сам Шуман. Тем более что на самом-то деле по миру ранее уже бродили подобные идеи. Автор их - гениальный серб Никола Тесла - создавал искусственные молнии еще в конце девятнадцатого века. Он обнаружил, что при разряде появляются волны очень низкой частоты. И они могут глубоко проникать в Землю без ослабления, потому что резонируют с собственными колебаниями Земли. Более того, образуется стоячая волна, обегающая Землю. Эти исследования Теслы тогда не были поддержаны - время не пришло. Пришло оно через 50 лет - с работами Шумана.

Резонанс и новый взгляд на вибрации и частоту в науке, резонанс Шумана

Здоровое любопытство иногда заставляет исследователей просматривать книги и журналы по далеким от специальности разделам науки. Быть бы резонансам Шумана похороненными в анналах истории науки, если бы не любопытство одного оставшегося неизвестным психолога, просматривавшего физико-техническую периодику. Прочтя публикацию Шумана, он оторопел. Основная частота резонанса - около 10 герц - совпадала с основным ритмом человеческого мозга - альфа-ритмом! Почему?! Конечно, он сразу же позвонил Шуману. Ведь в высшей степени удивительно, что совпадают ритмы Земли и мозга человека в состоянии спокойного бодрствования. Шуман подключил к работам студента-выпускника, будущего своего преемника Герберта Кёнига. Необычным делом увлекался этот студент. Он исследовал, как работают те, кто может находить в земле воду или минералы при помощи ивового прута, лозоходцы то есть. Далее мы увидим всю примечательность этого обстоятельства. В своей докторской диссертации Кёниг сообщил о более точных измерениях основной частоты резонанса Шумана - 7,83 гц.

Удалось измерить и более высокие гармоники первой частоты. Они составляют в среднем 14, 20, 26, 33, 39 и 45 герц. Оказалось, и этим частотам есть соответствие в спектре волн, излучаемых мозгом человека! Словом, частотная полоса изменения биотоков мозга лежит в пределах изменения резонансных частот полости Земля - ионосфера в спокойных условиях. Колебательная система «человек - среда обитания» находится в состоянии равновесия. Это не может быть случайным совпадением! Если бы мы сознательно всё устраивали для жизни на Земле, лучше бы не сделали.

Измерить резонанс Шумана - это значит для какого-нибудь места на Земле сделать запись интенсивности электрического и магнитного полей отдельно в зависимости от времени либо от частоты. Несмотря на глобальную важность, до недавнего времени работ по резонансам Шумана было мало. Может, потому, что этим диапазоном частот интересуются военные - для связи с подводными лодками, ведь такие волны проникают глубоко в воду и в землю. А может, потому, что измерять резонансы Шумана - трудная задача. Они слишком слабы на фоне собственных электрического и магнитного полей Земли, которые в 10 тысяч, а то и в 100 тысяч раз больше. Чтобы измерить резонансы Шумана, необходима стандартная электроника (усилители-предусилители) и очень необычные антенны. Для измерения электрического поля обычная антенна должна была бы быть длиной 20 тысяч километров. Поэтому используют специальную, шаровую антенну вместе с усилителем. Магнитные поля измерять - тоже нужны всяческие ухищрения. Перемещение людей, животных, раскачивание деревьев при ветре могут перечеркнуть кропотливые труды коллективов геофизиков и радиоэлектронщиков.

Где измеряют резонансы Шумана? Да по всей Земле. В Америке и в Австралии, в Финляндии, Германии и в России, в Англии и в Исландии.
Чтобы получше понять явление, хорошо бы узнать, отчего оно зависит. Частота и интенсивность естественных пульсаций Земли - не постоянные фиксированные величины. Как показали дальнейшие исследования, они слегка изменяются под влиянием следующих факторов:

Географическое место. Сильнее всего резонансы Шумана заметны вблизи мировых очагов гроз. Если рассмотреть данные со спутников NASA о местах возникновения молний за много лет, можно заметить, что молнии в основном случаются над землей, а не над поверхностью воды. Больше всего их в Африке. Так ведь по современным воззрениям там и появился человек.

Время суток. Ночью Солнце не ионизирует атмосферу на темной стороне Земли, и слой Хевисайда здесь исчезает, а с ним и шумановские волны. С рассветом восстанавливается верхняя граница околоземного волновода и вновь появляются волны Шумана. Земля отдыхает и пробуждается вместе с нами. Или это мы - с нею.

Чистота воздуха. Наблюдается повышение частоты, если в воздухе много водяных паров, газов.

Окружающая обстановка. Электромагнитный смог от всего электрооборудования перекрывает в сотни раз живительные природные всплески резонансов Шумана. Их гасят и некоторые строительные материалы. Может, поэтому собаки и дети хотят гулять, даже если только что вернулись с улицы.

Вспышки на Солнце. Исследователи утверждают, что при магнитных бурях или в условиях электромагнитных полей техногенного происхождения, когда изменяется частота природных резонансов Шумана, ухудшается состояние людей в возрасте и детей, чаще случаются гипертонические кризы, эпилептические припадки и суициды.

А каким образом все же осуществляется влияние магнитных бурь на человека? Возможно, дело обстоит так. При вспышках на Солнце изменяются свойства слоя Хевисайда - верхней границы нашего природного резонатора. Это приводит к изменениям частоты резонанса Шумана. Еще в 1665 году Христиан Гюйгенс заметил, что если неподалеку друг от друга начинают колебаться два маятника с близкой, но все же различной частотой, то по прошествии некоторого времени их частота колебаний станет одинаковой. И это всеобщий закон. Каждой колебательной системе «легче» колебаться в такт, чем вразнобой. Значит, резонансы Шумана для нас являются как бы ритмоводителем.

Изменилась по какой-то причине частота Шумана - это приводит к изменению частоты электромагнитных колебаний мозга и ухудшению состояния человека. Таким образом, именно через резонансы Шумана здоровье человека связано с геофизическим состоянием Земли. Более того, оказалось, что не только физическое здоровье, но и душевное, да и просто способность мыслить. Ведь мозг работает в режиме альфа-ритма (на частоте около 8 герц) в тех случаях, когда человек, находясь в состоянии мышечной релаксации, решает творческие задачи. У большинства людей, имеющих четко выраженный альфа-ритм, преобладает способность к абстрактному мышлению. Изредка встречаются люди, у которых обнаруживается полное отсутствие альфа-ритмов. Они свободно мыслят зрительными образами, однако испытывают трудности в решении проблем абстрактного характера.

Те, кто склонен к исследовательской деятельности, могут сами проследить связь собственного самочувствия (изменение артериального давления, например) с изменениями в спектре волн Шумана. Сделать это можно, посещая, например, сайт Томского государственного университета http://sosrff.tsu.ru/ . Данные обновляются каждые два часа. Кроме того, интересно самому убедиться, действительно ли растет частота шумановских волн, как сообщается иногда об этом. Ведь это означало бы, ни много ни мало, что идет эволюция мозга человека.

Оказалось: собственное магнитное поле Земли пульсирует в том же диапазоне частот, что и резонансы Шумана, и ритмы мозга. Это привело даже к некоторой путанице. Вы можете иногда услышать, что резонансы Шумана - это просто колебания магнитного поля Земли. А не волны, рожденные молниями и огибающие Землю в естественном волноводе.
Сейчас количество публикаций по резонансам Шумана сильно возросло - примерно до тысячи в год. Обсудим две главных причины этого.

Во-первых, обнаружилась возможность определения по резонансам Шумана температуры и грозовой активности в масштабах планеты. Сейчас уже точно известно, что чем выше температура воздуха нижних слоев атмосферы, тем больше гроз, молний и осадков. А значит, мощнее резонансы Шумана. По нехитрой логике, измеряя интенсивность резонансов в разных местах Земли, можно судить о ее средней температуре. То есть резонанс Шумана - это термометр для матушки-Земли. «Средняя по Земле» температура - сейчас больной вопрос для всех людей вообще, а не только для ученых. Не утихают споры, началось ли уже глобальное потепление или это проблема наших потомков.

С резонансами Шумана, точнее, с деятельностью человеческого мозга на частотах этих резонансов, некоторые исследователи связывают различные эффекты дальновидения, целительства, гипноза, поисков воды и полезных ископаемых с помощью лозы или рамки. Доктор Джон Циммерман, основатель и президент Института биоэлектромагнетизма в Рено, штат Невада, занимался изучением обширной литературы по деятельности целителей. Он обнаружил, что в начале сеанса у целителя устанавливается связь с волнами Шумана. Его правое и левое полушария мозга синхронизируются, в то время как обычно они слегка разбалансированы. Оба полушария начинают работать в альфа-ритме с частотой около 8 герц. Затем в альфа-ритм входят и мозговые волны пациента. Эти волны синхронизируются с волнами целителя. У пациентов во время сеанса также наблюдается частотное равновесие между полушариями мозга. Образно говоря, целитель присоединяет своего пациента к электромагнитному полю волн Шумана и к пульсациям магнитного поля Земли.

Резонанс ритмов человека при медитации и молитве

Существуют исследования, свидетельствующие, что при медитации и во время молитвы человеческий мозг тоже работает с частотой около 8 герц, в ритме с волнами Шумана и магнитным полем Земли.

До сих пор мы размышляли главным образом о природной составляющей системы человек - среда его обитания. Но уже существует понятие «электромагнитный смог». Это хаотическое излучение от различных бытовых и промышленных электроприборов. Его мощность уже в сотни раз превышает природный фон. Конечно, волны с частотой альфа-ритма очень слабенькие, их размах, или амплитуда, составляет всего около 30 миллионных долей вольта. Казалось бы, это ничтожно мало по сравнению с собственным магнитным полем Земли и с техногенными полями. Но частоты-то совпадают с ритмами мозга! Вспомните о резонансных эффектах! С этой точки зрения для человека опасны устройства, работающие в том же диапазоне частот, что и слабые, но такие необходимые естественные поля. Вот, например, сотовые телефоны. Все исследования их «вредности» проводились с учетом только их теплового воздействия. Но очень важно и информационное воздействие, которое никто не учитывает. Ведь одна из частот излучения сотового телефона - все те же 8 Гц - связана с нашей индивидуальной умственной деятельностью. Следовательно, извне, причем из непосредственной близости, в головной мозг человека поступают сигналы, которые способны резонансным образом взаимодействовать с собственной биоэлектрической активностью головного мозга и тем самым нарушать его функции. Такие изменения заметны на электроэнцефалограмме и не исчезают длительное время после окончания разговора.

Сообщают, что в Америке каждый сотрудник NASA имеет при себе приборчик - индивидуальный источник «полезных» электромагнитных волн в диапазоне волн Шумана, для улучшения самочувствия при «подстройке» к естественным природным ритмам.
А вот пчелы… Пчелы вымирают. По заключению ученых немецкого университета Кобленц-Ландау, в США и в некоторых странах Европы погибло до 70% пчелиных семей. Их гибель связывают с потерей ориентации под воздействием техногенных электромагнитных полей, порождаемых мощными антеннами сотовой связи.

Человечество как вид обладает необычайным потенциалом, который едва только начали изучать. Дар творчества, интуиция, талант - без этих качеств человек не смог бы создать тот прекрасный мир, в котором он живет. А что, если, окутанные антропогенным электромагнитным смогом, разрушающим тонкие настройки взаимосвязей в этом изменчивом, колеблющемся мире, мы потеряем свои бесценные дары?

…Рассвет. На зыбкой границе между сном и бодрствованием Земля посылает нам свой утренний привет на частоте 7,8 герц - частоте альфа-ритма нашего мозга. Что бы ни происходило, мы в резонансе со своей Землей и со всем живым на ней.

*************************

Наиболее выдающиеся из всех известных изобретений Теслы связаны с понятием резонанса. Тесла считал резонанс ключом к пониманию и управлению любой системой, природной или рукотворной. Каждая система, по его мнению, обладает некой «собственной частотой колебания». Таких частот может быть несколько, они являются своего рода «паспортом», «удостоверением личности» любой системы. Любые системы могут взаимодействовать, будучи настроенными друг на друга. Это очень легко объяснить на примере человеческих отношений: два человека, желающие понять друг друга (то есть «настроенные в резонанс» друг к другу), потратят гораздо меньше времени и сил на решение какой-то проблемы, чем те же два человека, не желающие понимать или просто безразличные. Таким образом, задача человека — не «брать силой» у Природы ее богатства, а уметь настраивать свою технику в резонанс с природными явлениями, чтобы взаимодействие было максимально естественным и эффективным. По этому пути и шел сам Тесла, поражая современников результатами.

Под явлением резонанса стоит понимать мгновенный рост величины амплитуды колебаний объекта под воздействием внешнего источника энергии периодического характера воздействия с аналогичным значением частоты.

В статье мы рассмотрим природу возникновения резонанса на примере механического (математического) маятника, электрического колебательного контура и ядерного магнитного резонатора. Для того, чтобы проще представить физические процессы, статья сопровождается многочисленными вставками в виде практических примеров. Цель статьи - объяснить на примитивном уровне явление резонанса в разных областях его возникновения без математических формул.

Самая простая модель, которая может наглядно показать колебания, это простейший маятник, а точнее математический маятник. Колебания разделяют на свободные и вынужденные. Первоначально воздействующая энергия на маятник обеспечивает в теле свободные колебания без присутствия внешнего источника переменной энергии воздействия. Данная энергия может быть как кинетической, так и потенциальной.

Здесь не имеет значение насколько сильно или нет качается сам маятник, - время, потраченное на прохождения его пути в прямом и обратном направлении, сохраняется неизменным. Во избежание недоразумений с затуханием колебаний вследствие трения о воздух стоит выделить, что для свободных колебаний должны соблюдаться условия возврата маятника в точку равновесия и отсутствия трения.

А вот частота в свою очередь напрямую зависит от величины длины нити маятника. Чем короче нить, тем выше частота и наоборот.

Возникающая естественная частота тела под воздействием первоначально приложенной силы называется резонансной частотой.

Все тела, которым свойственны колебания, совершают их с заданной частотой. Для поддержания в теле незатухающих колебаний необходимо обеспечить постоянную периодическую энергетическую «подпитку». Это достигается воздействием в одновременный такт колебаний тела постоянной силы с определенным периодом. Таким образом возникающие колебания в теле под действием периодической силы снаружи называют вынужденными.

В какой-то момент внешних воздействий возникает резкий скачок амплитуды. Такой эффект возникает если периоды внутренних колебаний тела совпадают с периодами внешней силы и называется резонансом. Для возникновения резонанса достаточно совсем небольших величин внешних источников воздействия, но с обязательным условием повторения в такт. Естественно, при фактических расчетах в земных условиях не стоит забывать о действии сил трения и сопротивления воздуха на поверхность тело.

Простые примеры резонанса из жизни

Начнем с примера возникновения резонанса с которым сталкивался каждый из нас - это обычные качели на детской площадке.

Резонанс качелей

В ситуации с детскими качелями в момент приложения рукой силы при прохождения одной из двух симметричных высших точек возникает скачек амплитуды с соответствующим ростом энергии колебания. В быту явление резонанса могли наблюдать в ванной комнате любители вокала.

Звуковой акустический резонанс при пении в ванной

Каждый из поющих в ванной комнате из кафеля наверняка замечал как изменяется звук. Звуковые волны отражаясь о кафель в замкнутом пространстве ванной становятся громче и продолжительнее. Но этому воздействию подвержены не все ноты песни вокалиста, а лишь те, которые резонируют в один такт со звуковой резонансной частотой воздуха.

Для каждого из вышеперечисленного случая возникновения резонанса существует внешняя возбуждающая энергия: в случае с качелями элементарный толчок рукой, совпадающий с фазой колебания качели, и в случае с акустическим эффектом в ванной - голос человека, отдельные частоты которого совпадали с определенными частотами воздуха.

Звуковой резонанс бокала - опыт в домашних условиях

Данный опыт можно провести в домашних условиях. Для него необходим хрустальный бокал и закрытое помещение без посторонних шумов для чуткого восприятия аккустического эффекта. Смоченный водой палец передвигаем по краю бокала с «рваными» периодическими ускорениями. В процессе подобных движений вы можете наблюдать возникновение звенящего звука. Данный эффект возникает вследствие передачи энергии движения, частота колебание которой совпадает с собственными частотой колебания бокала.

Разрушение мостов вследствие резонанса - случай с Такомским мостом

Все служившие в армии помнят, как при прохождении строем по мосту от командира звучала команда: «Отставить в ногу!». Почему же нельзя было проходить строем по мосту «в ногу»? Оказывается, при прохождении строем по мосту с одновременным поднятием выпрямленной ноги до уровня колена военнослужащие опускают плоскость подошвы в один такт с усилием, которое сопровождается характерным шлепком.

Шаг военнослужащих сливается в один единый такт, создавая скачкообразную внешнюю прикладываемую энергию для моста с определенной величиной колебаний. В случае если собственная частота колебаний моста совпадет с колебанием шага солдат «в ногу» - произойдет резонанс, энергия которого может привести к разрушительным воздействиям конструкции моста.

Хотя случаи полного разрушения моста и не зафиксированы при прохождении солдат «в ногу», но известнее случай разрушения Такомского моста через пролив Такома-Нэрроуз в штате Вашингтон США в 1940 году.

Одна из причин вероятных причин разрушения - механический резонанс, который возник вследствие совпадения частоты ветрового потока с внутренней собственной частотой моста.

Резонанс тока в электрических цепях

Если в механике явление резонанса можно объяснить сравнительно просто, то в электричестве все на пальцах не объяснить. Для понимания необходимы элементарные знания физики электричества. Резонанс, создаваемый в электрической цепи, может возникать при условии наличия колебательного контура. Какие элементы необходимы для создания колебательного контура в электрической сети? Прежде всего цепь должна быть подключена к источнику электрической энергии.

В электросети простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Конденсатор, состоящий внутри из двух металлических пластин разделенных диэлектрическими изоляторами, способен хранить электрическую энергию. Аналогичным свойством обладает и катушка индуктивности, выполненная в виде спиралеобразных витков проводника электричества.

Взаимное соединение конденсатора и катушки индуктивности в электрической сети, образующей колебательный контур , может быть как параллельным так и последовательным. В следующем видеопособии для демонстрации резонанса приводят пример последовательного способа включения.

Колебания электрического тока внутри контура возникает под действием электроэнергии. Однако, не все поступающие сигналы, а точнее его частоты, служат источником возникновения резонанса, а лишь только те, частота которых совпадает с резонансной частотой контура. Остальные, не участвующие в процессе, подавляются в общем потоке сигнала. Регулировать резонансную частоту возможно при помощи изменения значений емкости конденсатора и индуктивности катушки.

Возвращаясь к физике резонанса в механических колебаниях, он особенно выражен при минимальных значениях сил трения. Показатель трения сопоставляется в электрической цепи сопротивлению, увеличение которого ведет к нагреву проводника встледствие превращения электрической энергии во втрутреннюю энергию проводника. Поэтому, как и в случае с механикой, в колебательном электрическом контуре резонанс четко выражен при низком активном сопротивлении.

Пример электрического резонанса в процессе настройки ТВ и радиоприемников

В отличие от резонанса в механике, который может негативно влиять на материалы конструкций вплоть до разрушения, в электрических целях его вовсю используют в полезном функциональном назначении. Один из примеров применения - настройка ТВ и радиопрограмм в приемниках.

Радиоволны соответствующей частоты достигают приемных антенн и вызывают небольшие электрические колебания. Далее сигнал, включающий весь пул транслируемых передач, поступает в усилитель. Настроенный на определенную частоту в соответствии со значением регулируемой емкости конденсатора, колебательный контур принимает только тот сигнал, частота которого совпадает с его собственной.

В радиоприемнике установлен колебательный контур. Для настройки на станцию вращают рукоятку конденсатора переменной емкости, меняя положение его пластин и соответственно меняя резонансную частоту контура.

Вспомните аналоговый радиоприемник «Океан» времен СССР, ручка настройки каналов в котором есть ни что иное как регулятор изменения емкости конденсатора, положение которого меняет резонансную частоту контура.

Ядерный магнитный резонанс

Отдельные виды атомов содержат ядра, которые можно сравнить с миниатюрными магнитами. Под влиянием мощного внешнего магнитного поля ядра атомов меняют свою ориентацию в соответствии со взаимным расположением своего собственного магнитного поля по отношению к внешнему. Внешний сильный электромагнитный импульс поглощается атомом вследствие чего происходит его переориентация. Как только источник импульса прекращает свое действие ядра возвращаются на свои исходные позиции.

Ядра в зависимости от принадлежности к тому или иному атому способны принимать энергию в определенном диапазоне частот. Смена позиции ядра происходит в один такт с внешним колебаниям электромагнитного поля, что и служит причиной возникновения так называемого ядерного магнитного резонанса (сокращенно ЯМР). В научном мире этот вид резонанса используется в целях изучения атомных связей в рамках сложных молекул. Используемый в медицине метод отображения магнитного резонанса (ОМР) позволяет выводить результаты сканирования внутренних человеческих органов на дисплей для постановки диагноза и назначения лечения.

Магнитное поле ОМР сканера, формируемое при помощи катушек индуктивности, создает излучение высокой частоты под воздействием которого водорода изменяют свою ориентацию при условии совпадении своих собственных частот с внешним. В результате полученных данных с датчиков формируется графическая картинка на мониторе.

Если сравнивать метод ЯМР и ОМР относительно излучения, то сканирование с помощью ядерного магнитного резонатора менее вредно, чем ОМР. Также при исследовании мягких тканей технология ЯМР показала большую эффективность в отражении детализации исследуемого участка ткани.

Что такое спектрография

Взаимная связь между атомами в молекуле не строго жесткая, при изменении которой молекула переходит в состояние колебания. Частота колебаний взаимных связей атомов меняет соответственно резонансную частоту молекул. С помощью излучения электромагнитных волн в ИК спектре можно вызвать вышеуказанные колебания атомных связей. Данный метод под названием инфракрасная спектрография используется в научных лабораториях для изучения состава исследуемого материала.