Глава
Вынужденные колебания материальной точки

Рассмотрим прямолинейное движение материальной точки массы m по оси x. Пусть движение происходит под действием трех сил:

1)    силы, притягивающей точку к началу координат и имеющей проекцию на ось x, равную Цax (a>0);

2)    силы сопротивления среды, которую будем считать пропорциональной первой степени скорости:

Глава IV
Применение явления резонанса

Жилые дома и промышленные корпуса, железные дороги и самолеты, морские суда и автомобили, космические корабли и ракеты, гидравлические турбины и двигатели внутреннего сгорания, мосты и тоннели являются колебательными системами, в которых при определенных словиях могут возникать вынужденные колебания. Иногда амплитуда вынужденных колебаний становится столь большой, что сооружение может разрушиться. Это заставляет учитывать возможность резонанса в сооружениях. В ряде случаев явление резонанса может быть использовано и для достижения положительного эффекта.

Явление резонанса находит широкое применение в технике. Так, для плотнения сыпучего основания под фундаменты и дороги, также для плотнения бетона используют специальные вибраторы-уплотнители. Существует большое число конструкций вибраторов, но основная часть каждого из них - прочное основание, на котором становлен двигатель с неуравновешенным маховиком или системой неуравновешенных грузов. При работе двигателя насаженные на его ось грузы (или маховик) вызывают колебания всей становки. Для получения больших амплитуд собственную частоту колебаний плотнителя делают равной частоте вибрации вала двигателя. Колебания виброуплотнителя передаются через площадку грунту или бетону.

Вибраторы, аналогичные описанному, применяются для вибрационного погружения свай, шпунов, труб и т.п. Для вибрационного погружения сваи мощный вибратор станавливают на ее верхнем основании. При включении двигателя свая начинает вибрировать; грунт под сваей лразжижается, и под действием силы тяжести она погружается. Особенно широкое применение этот метод погружения свай и труб нашел на строительстве морских и озерных сооружений.

Явление резонанса используют для измерения частоты колебаний. Располагая набором резонаторов (колебательных систем с малым затуханием), частоты которых заранее известны, можно определить частоту происходящих колебаний. Частот эта равна частоте наиболее сильно колеблющегося резонатора.

Этот принцип используют, например, в язычковом частотомере, который представляет комплект пругих пластин, имеющих разную частоту свободных колебаний.

Каждая такая пластина, будучи закреплена одним концом в массивной обойме, является колебательной системой, собственная частот которой определяется массой и пругостью пластины.

При колебании пластины ее торцовая часть видна в виде размытой полоски. Измеряемая частот совпадает с частотой колебаний той из пластин, амплитуда колебаний которой наибольшая.

Явление электрического резонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно добиться того, что собственная частот колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этого в контуре возникнут резонансные колебания данной частоты, амплитуды же колебаний, создаваемых другими станциями, будут малы. Это приводит к настройке радиоприёмника на нужную станцию.

Явление резонанса давно было известно физикам в области акустики. Оно состоит в следующем. Представьте себе натянутую струну. Она способна, если по ней дарить или провести по ней смычком, звучать в некотором определенном тоне, при этом она приходит в колебания со вполне определенной частотой. Каждому тону соответствует своя частота. Скажем, что наша струна способна совершать 435 колебаний в секунду. Это соответствовало бы тону "ля". Предположим, что струна находится в покое. Возьмем теперь вблизи другую струну, которая тоже способна совершать 435 колебаний в секунду, и заставим эту струну звучать. Тогда окажется, что под влиянием колебаний нашей второй струны приходит в колебания - и сильные колебания - и первая. Это явление называется резонансом. Но если вторая струна имеет отличное от первой число колебаний, то первая струна молчит и на колебания второй струны не отвечает.

Объяснение явления резонанса несложно. Та струна, которую мы заставляем непосредственно колебаться, передает первой струне через воздух маленькие толчки, следующие друг за другом в темпе ее колебаний, т. е. каждую 1/435 сек один толчок. Каждый толчок сам по себе крайне незначителен. Первый толчок действительно приведет струну в ничтожно слабое колебание, но если темп этих колебаний и приходящих толчков один и тот же, то второй толчок придется как раз вовремя и силит действие первого. Третий силит колебания еще больше, и т. д. Произойдет накопление действия отдельных толчков, и в результате получается сильное звучание. Между тем если отдельные толчки следуют друг за другом невпопад, то действие одного будет ничтожаться действием следующего и заметного эффекта не будет.

Явление резонанса, изученное впервые в акустике, ею абсолютно не ограничивается. Звонарь на колокольне, раскачивающий тяжелый колокол, пользуется, хотя и бессознательно, тем же явлением. Он не в состоянии преодолеть тяжесть колокола одним силием и поэтому он поступает так. Он дает веревке слабый толчок: колокол отклоняется, но очень незначительно, затем возвращается обратно; как раз в момент возвращения звонарь дает следующий толчок и такими ритмичными, следующими в tempo колебаний колокола толчками он его раскачивает до тех пор, пока язык не дарит по колоколу. Вот почему, между прочим, звонить в тяжелый колокол, особенно снизу, при помощи веревки, т. е. в словиях, когда следить за колебанием нельзя, требует немалого навыка.

з4.2а Явление резонанса, ведущее к разрушению. Способы гашения нежелательных вынужденных колебаний

Электрические двигатели, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания даже из-за небольшой несбалансированности вращающихся масс являются источником колебаний, передающихся основаниям, на которых они становлены. Если двигатель жестко креплен на фундаменте, колебания почти полностью передаются грунту и через грунт зданию, в котором машина становлена.

Если колебательная система обладает малым трением, то лишь небольшая часть подводимой к ней энергии превращается во внутреннюю энергию системы. В этих словиях (при совпадении частоты вынуждающих колебаний с частотой свободных колебаний) амплитуда вынужденных колебаний может достичь больших значений и вызвать разрушение здания.

Во второй половине прошлого столетия стали обращать на себя внимание инженеров случаи непонятных обрушений мостов, особенно цепных мостов, которые в то время как раз строились в сравнительно большом количестве. Непонятных - потому, что мосты рушились под весьма небольшой тяжестью, которую они по расчету должны были свободно выдерживать и фактически раньше выдерживали. Повторные проверки не обнаруживали ошибочности расчетов, катастрофы были налицо. Инженеры беспомощно стояли перед совершившимися несчастиями и не имели средств предотвратить их в будущем.

И только в последнем десятилетии прошлого века решение вопроса было найдено. Вот что оказалось. Цепной мост представляет собой не жесткую систему, а систему, которая может, подобно струне, совершать колебания, с той разницей, что струна колеблется быстро, совершая несколько сот колебаний в секунду, в то время как мост, если его заставить колебаться, совершает за секунду, скажем, одно или даже меньше колебаний. И вот при известных словиях нагрузки наступало так называемое явление резонанса, несшее гибель мосту.

Известно много случаев, когда источником опасных колебаний механических сооружений были люди, идущие в ногу. Например, в 1831 году в Манчестере по мосту через реку Ирвель проходили строем, шагая в ногу, 60 солдат. Частот даров солдатских ног совпала с частотой свободных колебаний моста, и мост разрушился. Аналогичный случай произошел в 1905 году в Петербурге, когда был разрушен цепной мост через реку Фонтанку в результате прохождения по нему эскадрона гвардейской кавалерии. Частот даров ног хорошо обученных лошадей совпала с частотой свободных колебаний моста. Цепи, на которых висел мост, разорвались, мост обрушился.

Теперь ясно, как явление резонанса может оказаться губительным для моста. Представьте себе, и это действительно бывало при некоторых катастрофах, что по мосту проходит военный отряд, идущий в ногу. Отдельные толчки, производимые при этом, не оказывают сколько-нибудь заметного действия. Но если случайно период этих ритмических толчков совпадает с периодом колебаний моста - это, особенно в цепных мостах, может случаться очень легко, - то наступает явление резонанса. Действия отдельных толчков накапливаются, мост раскачивается все сильнее, материал не выдерживает, и мост рушится. Вот почему, между прочим, теперь при проходе отряда через такой мост солдатам дается команда идти не в ногу. Это, конечно, одна из причин, подобных причин наступления резонанса может быть множество, и оградить себя от таких ритмических нагрузок трудно. Поэтому в настоящее время - это и есть главный практический результат, к которому привела теория, - почти совершенно отказались от нежестких систем, имеющих собственные колебания.

Современные конструкции имеют гораздо большую жесткость, чем прежние цепные мосты, и этим возможность колебаний, значит и возможность наступления губительного резонанса, страняется.

Теперь также стало ясным, почему случаи, подобные описанному, казались непонятными и загадочными. Конструкторы рассчитывали прочность своих мостов исключительно статически, т. е. они принимали во внимание только постоянную нагрузку, и с этой точки зрения их расчеты были совершенно правильны. Они не учитывали и даже не напали на мысль о необходимости чета ритмически изменяющейся нагрузки, с одной стороны, и колебаний моста - с другой. Их кругозор был ограничен и не охватывал явлений во всем их разнообразии. Но нашлись люди с широкой теоретической подготовкой, для которых звучание струны и колебания моста являлись лишь частными случаями, охватываемыми одним общим законом, и вопрос был решен.

Интересно, что аналогичное явление повторилось в совершенно другой области. Вы знаете, что для передачи электрической энергии пользуются иногда кабелем, состоящим по существу из двух металлических проводников, несущих ток, и изолированных друг от друга каким-нибудь изолирующим веществом, например гуттаперчей. Слой гуттаперчи между проводами должен быть больше или меньше, смотря по тому электрическому напряжению, иначе говоря, смотря по числу вольт, при котором передача энергии идет. Понятно при этом, что из соображений экономии и из-за тяжести кабеля слой гуттаперчи делают не больше (конечно, с известным запасом), чем это нужно для данного случая. Проверка делается в заводской лаборатории. Для этого соединяют один провод с положительным, другой - с отрицательным полюсом батареи и смотрят, выдерживает ли кабель нужное напряжение. И вот наблюдались случаи, что при работе с переменным током кабель, полностью выдержавший испытание в лаборатории, в работе пробивался.

Вопрос разъяснился и здесь тоже лишь тогда, когда к нему подошли с физико-теоретической стороны. Оказалось, что здесь, как и в случае моста, губительным фактором было явление резонанса. Дело в том, что кабель, смотря по длине, имеет различные периоды собственных электрических колебаний. Он представляет собой электрическую аналогию струны. С другой стороны, отличительной чертой переменного тока является его ритмическая пульсация.

И вот, если длина кабеля оказывалась такова, что период пульсации тока совпадал с периодом колебаний кабеля, наступало явление резонанса, происходило нарастание колебаний электрического напряжения, которое благодаря этому достигало гораздо большей величины, чем то, которое давали динамо-машины и на которое был рассчитан кабель, и изоляция пробивалась.

С резонансом можно встретиться не только на суше, но и в море и даже в воздухе. Так, например, при некоторых частотах вращения гребного вала в резонанс входили целые корабли. А на заре развития авиации некоторые авиационные двигатели вызывали столь сильные резонансные колебания частей самолета, что он разваливался в воздухе.

То обстоятельство, что амплитуда вынужденных колебаний может достичь опасных для конструкций значений, заставило искать способы гашения вынужденных колебаний.

Один способ гашения вынужденных колебаний состоит в измерении частоты свободных колебаний системы, так чтобы она не совпала с частотой вынуждающих колебаний и не была ей кратна. Например, при изготовлении паровой турбины для теплоэлектростанции учитывают, что турбина будет работать при частоте 3 мин^-1. Следовательно, колебания, вызываемые вращением ротора, будут иметь частоту

Заключение

Вынужденные колебания и резонанс широко используются в технике, особенно в акустике, электротехнике, радиотехнике и других областях. Явление резонанса используется в тех случаях, когда из большого набора колебаний разной частоты хотят выделить колебания вполне определенной частоты. Резонанс используется и при измерении очень слабых периодически повторяющихся величин.

Однако в ряде случаев резонанс - нежелательное явление, так как может привести к большим деформациям и разрушению конструкций. Резонанс приходится учитывать при конструировании машин и различных сооружений.

Вращающиеся части машин, валы двигателей самолетов и кораблей невозможно абсолютно точно равновесить. В результате они испытывают переменную нагрузку, совершая вынужденные колебания и вызывая вынужденные колебания всей системы (например, самолета). Различные части системы или система в целом могут прийти в резонанс с вынуждающей силой, что может привести к их разрушению или повреждению. Поэтому инженеры должны так конструировать ту или иную становку, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни во всей становке, ни в ее отдельных частях.

Список литературы

1)    . Александров Н.В. и Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика. М.: Просвещение, 1978 г.

2)    Айнс Э.Л. Обыкновенные дифференциальные равнения (перевод с английского) под ред. Эфрос А.М.. ОНТИ. Харьков, 1939 г. - 719 с.

3)    Арнольд В.И. Геометрические методы в теории обыкновенных дифференциальных равнений. - Ижевск: Ижевская республиканская типография, 2 г., 400 с.

4)    Арнольд В.И., Ильяшенко Ю.С. Обыкновенные дифференциальные равнения. М.: Наука, 1972 г., 149 с.

5)    Бибиков Ю.Н. Курс обыкновенных дифференциальных равнений. М.: Высшая школа, 1991 г., 303 с.

6)          Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. -М., Просвещение, 1987 г.

7)    Голубев В.В. Лекции по аналитической теории дифференциальных равнений. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы 1950 г., 436 с.

8)    Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. М.: Наука 1965 г., 616 стр. с илл.

9)    Зельдович Я.Б. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука, 1972 г., 510 с.

10)                      Коддингтон Э.А., Левинсон Н. Теория обыкновенных дифференциальных равнений (перев. с английского Левитана Б.М.). М.: Изд. иностранной литературы, 1958 г., 475 с.

11)                      Курант Р. Курс интегрального и дифференциального исчисления. М., 1970 г., 672 стр. с илл.

12)     Лефшец С. Геометрическая теория дифференциальных равнений. М.: Изд. иностр. лит., 1960 г., 388 с.

13)     Матвеев Н.М. Обыкновенные дифференциальные равнения: учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов и физ.-мат. спец. Пб.: Спец. Литература, 1996.

14)     Матвеев Н.М. Сборник задачи пражнений по обыкновенным дифференциальным равнениям: учебное пособие, 7-е изд., доп. - Спб.: Издательство Лань, 2002. - 432 с. - (Учебники для вузов. Специальная литература).

15)     Мышкис А.Д. Лекции по высшей математике. М.: Изд. Наука, 1973 г., 640 с. с илл.

16)     Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные равнения, гос. изд. физ.-мат. литературы, М., 1961 г.

17)     Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов. №1. -М., изд. МПГТУ. 1994 г.

18)     Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.,физматгиз,1963.

19)