Чем опасно явление резонанса для мостов. Сварочные инверторы. Схемы подключения высокочастотных преобразователей. Как частота связана с явлением резонанса

Прежде чем приступить к знакомству с явлениями резонанса, следует изучить физические термины, связанные с ним. Их не так много, поэтому запомнить и понять их смысл будет несложно. Итак, обо всем по порядку.

Что такое амплитуда и частота движения?

Представьте обычный двор, где на качелях сидит ребенок и машет ножками, чтобы раскачаться. В момент, когда ему удается раскачать качели и они достигают из одной стороны в другую, можно подсчитать амплитуду и частоту движения.

Амплитуда - это наибольшая длина отклонения от точки, где тело находилось в положении равновесия. Если брать наш пример качелей, то амплитудой можно считать наивысшую точку, до которой раскачался ребенок.

А частота - это количество колебаний или колебательных движений в единицу времени. Измеряется частота в Герцах (1 Гц = 1 колебание в секунду). Возвратимся к нашим качелям: если ребенок проходит за 1 секунду только половину всей длины качания, то его частота будет равна 0,5 Гц.

Как частота связана с явлением резонанса?

Мы уже выяснили, что частота характеризует число колебаний предмета в одну секунду. Представьте теперь, что слабо качающемуся ребенку взрослый человек помогает раскачаться, раз за разом подталкивая качели. При этом данные толчки также имеют свою частоту, которая будет усиливать либо уменьшать амплитуду качания системы "качели-ребенок".

Допустим, взрослый толкает качели в то время, когда они движутся навстречу к нему, в таком случае частота не будет увеличивать амлитуду движения То есть сторонняя сила (в данном случае толчки) не будет способствовать усиления колебания системы.

В случае если частота, с которой взрослый раскачивает ребенка, будет численно равна самой частоте колебания качелей, может возникнуть являение резонанса. Другими словами, пример резонанса - это совпадение частоты самой системы с частотой вынужденных колебаний. Логично представить, что частота и резонанс взаимосвязаны.

Где можно наблюдать пример резонанса?

Важно понимать, что примеры проявления резонанса встречаются практически во всех сферах физики, начиная от звуковых волн и заканчивая электричеством. Смысл резонанса заключается в том, что когда частота вынуждающей силы равна собственной частоте системы, то в этот момент достигает наивысшего значения.

Следующий пример резонанса даст понимание сути. Допустим, вы шагаете по тонкой доске, перекинутой через речку. Когда частота ваших шагов совпадет с частотой или периодом всей системы (доска-человек), то доска начинает сильно колебаться (гнуться вниз и вверх). Если вы продолжите двигаться такими же шагами, то резонанс вызовет сильную амплитуду колебания доски, которая выходит за пределы допустимого значения системы и это в конечном счете приведет к неминуемой поломке мостика.

Существуют также те сферы физики, где можно использовать такое явление, как полезный резонанс. Примеры могут удивить вас, ведь обычно мы используем его интуитивно, даже не догадываясь о научной стороне вопроса. Так, например, мы используем резонанс, когда пытаемся вытащить машину из ямы. Вспомните, ведь легче всего достичь результат только тогда, когда толкаешь машину в момент ее движения вперед. Этот пример резонанса усиливает амплитуду движения, тем самым помогая вытащить машину.

Примеры вредного резонанса

Сложно сказать, какой резонанс в нашей жизни встречается больше: хороший или же наносящий нам вред. Истории известно немалое количество ужасающих последствий явления резонанса. Вот самые известные события, на которых можно наблюдать пример резонанса.

1. Во Франции, в городе Анжера, в 1750 году отряд солдат шел в ногу через цепной мост. Когда частота их шагов совпала с частотой моста, размахи колебаний (амплитуда) резко увеличились. Наступил резонанс, и цепи оборвались, а мост обрушился в реку.
2. Бывали случаи, когда в деревнях дом был разрушен из-за проезжающего по главной дороге грузового автомобиля.

Как видите, резонанс может иметь весьма опасные последствия, вот почему инженерам следует тщательно изучать свойства строительных объектов и правильно вычислять их частоты колебаний.

Полезный резонанс

Резонанс не ограничивается только плачевными последствиями. При внимательном изучении окружающего мира можно наблюдать множество хороших и выгодных для человека результатов резонанса. Вот один яркий пример резонанса, позвляющий получать людям эстетическое удовольствие.

Устройсто многих музыкальных инструментов работает по принципу резонанса. Возьмем скрипку: корпус и струна образуют единую колебательную систему, внутри которой имеется штифт. Именно через него передаются частоты колебаний из верхней деки в нижнюю. Когда лютьер водит смычком по струне, то последняя, подобно стреле, побеждает своей трение канифольной поверхности и летит в обратную сторону (начинает движение в противоположную область). Возникает резонанс, который передается в корпус. А внутри его есть специальные отверстия - эфы, сквозь которые резонанс выводится наружу. Именно таким образом он контролируется во многих струнных инструментах (гитара, арфа, виолончель и др).

14 августа этого года обрушился автомобильный мост в Генуе, жертвами катастрофы по последним данным стали 42 человека. Пока инженеры и следователи выясняют, почему и как это произошло, «Вокруг света» решил вспомнить и перечислить основные возможные причины обрушения мостов и заметные примеры таких обрушений из прошлого.

Человечество стало строить мосты более трех тысяч лет назад, что позволяет мосту претендовать на почетное звание самого . Более того, многие мосты, построенные тысячи лет назад - особенно римлянами, которые достигли удивительных высот в области мостостроения, - до сих пор стоят и даже выполняют свои функции.

Но, как и любое инженерное сооружение, мост может разрушиться, что нередко случалось за последние три тысячи лет. И хорошо еще, если прямо в процессе строительства. Хуже, если это происходит по окончании работ.

Почему же разрушаются мосты? Часто причин может быть несколько одновременно, и они, удачно дополняя друг друга, приводят к катастрофе. Например, инженер неправильно провел расчеты, строители сэкономили на материалах или нарушили технологии строительства, затем мост неправильно эксплуатировался и, в конце концов, при прохождении слишком тяжело нагруженного поезда или большого числа машин или людей в плохую погоду обрушился. Тем не менее в большинстве случаев одна из причин выступает в качестве основной.

Ошибки конструкции и эксплуатации и чрезмерный износ

Пожалуй, ошибки в конструкции можно назвать первейшей причиной разрушения всех инженерных сооружений - будь то колокольни, крепостные стены или мосты. Причем проблема может проявиться сразу, а может при определенных условиях по окончании строительства. Именно это случилось, к примеру, с железнодорожным мостом через Ферт-оф-Тей (эстуарий реки Тей) в Шотландии в 1879 году. Инженер Томас Бауч, автор проекта, посвященный за него в рыцари, не учел при создании проекта ветровую нагрузку и запланировал опоры, поддерживавшие фермы моста, слишком тонкими. К этому прибавилось низкое качество материалов и работ. В результате в сильнейший шторм (10 из 12 баллов по шкале Бофорта) вечером 28 декабря 1879 года (через два года после окончания строительства) поезд с 75 людьми въехал на мост и вскоре оказался в воде: пролеты самого длинного на тот момент моста в мире (около 3000 метров) рухнули в реку вместе с вагонами и паровозом.

Так мост выглядел спустя несколько недель после обрушения. Сегодня его конструкции разобраны, однако остатки опор еще видны

А вот пользователям подвесного автомобильного моста через пролив Такома-Нэрроуз между городом Такома в штате Вашингтон (США) и полуостровом Китсуп повезло больше. О проблемах с этим длинным и довольно изящным сооружением стало известно еще на этапе строительства: рабочие, возводившие мост, заметили, что, когда в проливе поднимался боковой ветер, дорожное полотно начинало вибрировать и выгибаться. За это они даже прозвали мост «скачущей Герти» (Gallping Gertie) . Это, впрочем, не помешало довести строительство до конца и торжественно открыть мост 1 июля 1940 года. Более того, хотя колебания дорожного полотна при ветре и были заметны невооруженным глазом и сразу стали вызывать опасения инженеров, инспекторов надзорных органов и водителей, мост считался вполне безопасным. Одновременно с его эксплуатацией разрабатывались варианты решения проблемы. А в чем же была проблема? В том, что при строительстве были использованы передовые на тот момент сплошные балки из углеродистой стали, поверх которых было постелено дорожное полотно. Если бы использовались более привычные сквозные балки, ветер обдувавший мост, проходил бы через них, а сплошные балки отклоняли потоки воздуха выше и ниже и таким образом приводили дорожное полотно в движение. Проекты по исправлению недостатка даже не успели до конца продумать: 7 ноября того же, 1940 года ветер в проливе поднялся до сильных, но не катастрофических 18 м/с (около 64 км/ч; 8 баллов по шкале Бофорта), и мост в конце концов не выдержал: тросы лопнули и дорожное полотно вместе с автомобилем чудом спасшегося водителя упали в пролив; погибла одна собака, случайно выбежавшая на мост. А мы получили уникальные кадры - их снял местный житель, оказавшийся в тот день у моста с камерой.

Превышение допустимой нагрузки

Строго говоря, превышение допустимой нагрузки - тоже нарушение правил эксплуатации, хотя, как правило, оно является следствием не небрежения такими правилами и побуждениями здравого смысла, как несвоевременный ремонт или проведение ремонтных работ с нарушением регламента (погубившими в 2011 году 710-метровый мост через реку Махакам в индонезийской части острова Борнео), а стечением обстоятельств. Именно так можно расценивать, например, то, что произошло в 17:00 по местному времени в пятницу 15 декабря 1967 года с Серебряным мостом (Silver Bridge) через реку Огайо, соединявшим штаты Огайо и Западная Виргиния. Мост, построенный в 1928 году, являлся частью шоссе U. S. Route 35 и пользовался большой популярностью, выражавшейся в том, что через него регулярно проходил плотный транспортный поток. В предпраздничные недели трафик возрастал даже больше обычного, а трагедия и вовсе произошла вечером в пятницу за десять дней до Рождества. Мост рухнул из-за разрушения одной из стержневых подвесок, которыми дорожное полотно крепилось к тросам, а за нею стали рушиться и остальные конструкции моста - все разрушение заняло около минуты. В результате погибли 46 человек.

Самый точный список погибших при крушении моста в Диксоне, штат Иллинойс, насчитывает 46 имен, причем женских среди них 37, то есть 80%. Больше того, 19 погибших были моложе 21 года. Причина такой диспропорции в том, что женщин и детей пропустили вперед, чтобы им было лучше видно церемонию крещения в водах реки - как раз на ту боковую пешеходную дорожку, где была сконцентрирована наибольшая масса. Тяжелые платья, посыпавшиеся сверху люди и конструкции злополучного моста довершили дело

Другой пример тоже из Америки - из города Диксон, штат Иллинойс. Начало мая 1874 года было теплым и солнечным, поэтому пастор местной баптисткой церкви решил провести в первое же воскресенье месяца, 4-го числа, церемонию крещения в водах реки Рок шестерых новых членов общины. Удобное место было вблизи моста, а такие церемонии обычно привлекали внимание горожан (альтернативных развлечений в провинциальном городе с населением чуть больше 4000 человек в 1874 году было немного). Мост же был построен пятью годами ранее и имел пользовавшуюся популярностью новую для тех лет решетчатую конструкцию, позволявшую собирать переправы большой длины из коротких металлических деталей и, следовательно, тратить меньше денег и возводить мосты в труднодоступных районах.

Утром в воскресенье на мосту собралось от 150 до 200 человек, все одетые по-воскресному, причем больше всего людей было сконцентрировано с одного края моста и в границах одного пролета. Пастор взял театральную паузу перед погружением в воды реки крещаемого. Вдруг в наступившей тишине послышался громкий скрип, и пролет моста стал валиться вместе с собравшимися на нем людьми (мужчины, женщины в тяжелых платьях с кринолинами и нижними юбками, дети, в том числе маленькие), которые полетели в воду с высоты более пяти метров. Погибло около 50 человек. Официально причиной случившегося назвали конструкцию моста, однако трагедия не произошла бы, если бы он не оказался перегружен, притом неравномерно.

Военные действия и терроризм

Во всех выше описанных случаях мосты разрушались из-за непреднамеренных действий людей. Но так бывает не всегда, нередко люди разрушают построенные другими людьми переправы. Чаще всего в истории человечества так происходило во время войн, и наибольшее количество мостов было разрушено в XX веке во время Второй мировой войны авиаударами или артобстрелами - либо для того чтобы остановить продвижение войск, либо чтобы нарушить экономическую деятельность противника. Так, мост Гогенцоллернов, построенный в 1907–1911 годах в центре Кельна, позволял пересекать Рейн автомобильному и железнодорожному транспорту и пешеходам и потому считался важнейшим элементом инфраструктуры Третьего рейха - во время войны это был самый загруженный железнодорожный мост в Германии. Неудивительно, что уже с 1942 года союзники старались уничтожить его авианалетами. Впрочем, полностью вывести его из строя с воздуха им так и не удалось - мост рухнул в воды Рейна только 6 марта 1945-го, когда его подорвали американские саперы.

Разрушенный за два месяца до окончания войны мост Гогенцоллернов (на фото в центре) начали восстанавливать вскоре после окончании боевых действий в Германии. И в 1948 году уже запустили железнодорожное движение по нему. Автомобильную линию пустили по другому маршруту, а слева и справа от путей сейчас устроены пешеходно-велосипедные дорожки, с которых открывается великолепный вид на город в целом и на Кельнский собор в частности

Однако и после окончания Второй мировой мосты продолжали гибнуть от бомбардировок с воздуха и подрывов - эта судьба постигла, например, весьма красивый вантовый автомобильный мост Свободы в сербском городе Нови-Сад в 1999 году во время натовской военной операции против Югославии (мост, впрочем, восстановили в 2005-м).

Стихийное бедствие

В эту категорию причин попадают и наводнения и внезапные резкие подъемы воды, попросту смывающие мост или разрушающие его опоры и почву под ними, и землетрясения, а также оползни. Именно последние стали причиной обрушения моста через каньон Пфайффер (глубина 98 метров) на Шоссе 1 в Калифорнии в марте 2017 года. В течение месяца в районе моста выпало более 1500 мм осадков, которые вызвали смещение толстого слоя почвы на склоне каньона вместе с опорой моста, врытой в этот склон. К счастью, на мосту в тот момент никого не было.

Мост через реку Кинзу высотой 92 метра частично разрушился после встречи с торнадо в 2003-м. До обрушения его длина составляла 625 метров, он был 4-м по высоте мостом в США. В 1977 году сооружение внесли в Национальный реестр исторических мест США, а в 1982-м - в Список исторических гражданских инженерных достопримечательностей США

Еще один, впрочем довольно экзотический, вариант развития событий - торнадо. Именно он уничтожил знаменитый железнодорожный мост через реку Кинзу в штате Пенсильвания (США) - памятник инженерной мысли, построенный в 1883 году и прослуживший до 1963-го, а потом ставший главной достопримечательностью парка Kinzua Bridge State Park . А 21 июля 2003 года на парк налетел торнадо, ударил в мост и повалил 11 из 20 его опор - 120-летние конструкции не выдержали ветра скоростью выше 150 км/ч.

Столкновение

Отличный способ обрушить мост - врезаться в него, причем для наибольшего успеха этого предприятия стоит метить в опору. Хотя можно при желании попытаться снести и пролет, например устремившись под мост на транспортном средстве большей высоты, чем сам пролет. Надо сказать, что в большинстве случаев мост побеждает (см. так называемый «Мост дураков» в Санкт-Петербурге), однако не всегда, как случилось с мостом Альмё, соединявшим шведский остров Чёрн с материком. Это красивое арочное сооружение (на момент постройки самый длинный в мире мост такого типа) было перекинуто через оживленный водный путь и простояло 20 лет без приключений, пока темной туманной ночью с 17 на 18 января 1980 года не встретилось с балкером MS Star Clipper . Тот, следуя в тяжелых навигационных условиях, прошел не по центру арочного пролета, задел арку и снес ее. Дорожное полотно и конструкции моста упали на мостик судна и разрушили его. Примечательно, что при этом на судне никто не пострадал. Но совсем без жертв, к сожалению, не обошлось: в тумане несколько автомобилей на полном ходу выехали на мост со стороны Чёрна и, не заметив, что моста-то и нет, рухнули с него в ледяные воды пролива - погибли восемь человек. Жертв могло бы быть больше, если бы следовавший со стороны континента водитель грузовика не заметил, что заграждения внезапно исчезли, и не успел затормозить в метре от обрыва, заблокировав дорогу.

При столкновении баржи с мостом на шоссе I-40 в 2002 году в США непосредственно от удара никто не пострадал, но восемь легковых и три грузовых автомобиля успели упасть в воду - погибли 14 человек, 11 получили ранения

И все же более надежный способ снести мост - это врезаться в опору и желательно на полном ходу, как это сделала груженая баржа Robert Y. Love в водохранилище имени Керра на реке Арканзас в штате Оклахома, США. Ее рулевой упал в обморок за штурвалом, и неуправляемое судно врезалось в одну из опор автомобильного моста и снесло ее, вызвав обрушение 177-метровой секции пролета. Как и в случае с мостом Альмё, жертвами крушения стали водители автомобилей, не успевшие затормозить на краю (дело происходило майским утром).

Фото: Wikimedia Commons, Stephen Lux / Getty Images, Posnov / Getty Images

Повсеместно и ежедневно нам в нашей жизни сопутствуют колебательные системы.
Первое впечатление в жизни - это качели. На этом отнюдь не простейшем примере можно наблюдать и зависимость периода колебаний от веса того, кто качается, а также проблему синфазности движения качелей с внешней раскачивающей силой. Далее, идет знакомство с музыкальными инструментами, так или иначе использующими разного рода колебательные системы для получения музыкальных звуков. Ну, и в конце концов, вся, полностью обнимающая нас электроника, основным и непременным узлом которой является кварцевый резонатор - так сказать, рафинированная колебательная система.
И вместе с тем, так ли уж много мы понимаем в этом...
Самое четкое определение колебательной системы дал лорд Кельвин при открытии им электрического L-C колебательного контура в 1878-м году. Обнаружив, что при ударном воздействии на колебательный контур возникает синусоидальный (гармонический) затухающий процесс, Кельвин заявил, что это является доказательством того, что имеет место новая, неизвестная ранее колебательная система.
Таким образом, можем сформулировать, что колебательной системой является устройство, которое имеет механизм преобразования ударного воздействия в гармонический затухающий процесс.
Но вот интересно то, что это определение мы можем приложить не ко всем известным и применяемым колебательным системам. Это происходит потому, что для этих устройств, являющихся безусловно колебательными системами (по определению Кельвина), сам механизм преобразования удара в синусоиду далеко не всегда известен.
Что касается разного рода маятников, пружин и колебательных контуров, то механизмы их колебательности изучены и рассмотрены. Однако существуют колебательные системы, механизм которых неизвестен, несмотря на очень широкое их применение. Так, до недавних пор оставалось неизвестным, каким образом выполняют роль колебательной системы, скажем, кварцевые резонаторы.
Эффект кварцевого резонатора был обнаружен еще в 1917 году, но признать его непонятность почему-то постеснялись. В силу этой стеснительности была предложена модель кварцевого резонатора в виде его эквивалента некоторой совокупности нескольких виртуальных конденсаторов и катушек индуктивности. Такое вот как бы моделирование почему-то названо научным описанием кварцевых резонаторов, это все называется теорией, и такого рода научной и учебной литературы существует видимо-невидимо.
Понятно, что никаких - ни виртуальных, ни реальных конденсаторов в кварцевых резонаторах не присутствует, и вся эта наукообразная макулатура к этим резонаторам никак не относится. Дело в том, что на практике частота кварцевого резонатора f 0 определяется толщиной кварцевой пластины h , и при изготовлении ее пользуются следующей эмпирической формулой:

f 0 = k / h , где (1)

k - технологический коэффициент.
Так вот, во всей существующей литературе о кварцевых резонаторах мы не найдем ни упоминания этого эмпирического соотношения, ни вообще какой-либо информации о связи собственной частоты резонатора с размерами пластины.
Спустя 60 лет после открытия свойств кварцевых пластин, в 1977 году, было обнаружено, что резонаторами являются не только кварцевые пластины, но и объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, стекло, керамика, горные породы). При этом оказалось, что количество собственных частот этих резонаторов равно количеству их размеров. Так, сплошной шар, допустим, из стекла, имеет всего один размер - диаметр d , и, соответственно, одну собственную частоту f 0 , связь между которыми, как оказалось, определяется соотношением (1). Пластина, имеющая толщину h и размеры a и b , имеет три собственные частоты, каждая из которых связана с соответствующим размером соотношением (1).
Наличие резонансных свойств перечисленных выше объектов выявляется очень просто, и даже несколькими способами. В шахтных условиях, в случае слоистых пород, наиболее простой способ состоит в том, что к исследуемому объекту (к породам кровли) прижимают датчик поля упругих колебаний (сейсмоприемник), и наносят по поверхности кровли короткий удар. Реакция на удар будет выглядеть как затухающий гармонический сигнал. В лабораторных условиях этот метод является неприемлемым, поскольку получить требуемые параметры удара для небольших образцов очень непросто. В лаборатории оказалось проще использовать исследование образца с помощью ультразвуковых установок.
Как оказалось, резонансные свойства кварцевого резонатора не являются чем-то уникальным и зависящим от наличия пьезоэффекта. Наличие же пьезоэффекта лишь упрощает индикацию и использование этого свойства. Так, исследуя резонансные свойства пьезокерамического диска, его в процессе эксперимента можно нагреть до температуры, превышающей точку Кюри, при которой пьезоэффект исчезает, а резонансные свойства его никак не изменятся.
Однако если ученым, изучавшим кварцевые резонаторы, удалось уйти от поиска физики их резонансных свойств, то мне пришлось ею заняться вплотную. Дело в том, что, несмотря на фактически существующих резонансных проявлений, исходя из общих соображений, пластина из однородного материала не должна проявлять резонансные свойства. В такой пластине должен отсутствовать механизм преобразования ударного воздействия в гармонический сигнал.
Нельзя сказать, что эта точка зрения ошибочна, потому что есть материалы, объекты из которых не являются резонаторами. И действительно, в таком материале как плексиглас (оргстекло) и некоторых других, этот механизм отсутствует. Объекты из плексигласа резонаторами не являются. При ударном воздействии на пластину из оргстекла реакция имеет вид последовательности затухающих коротких импульсов. То есть, полностью соответствует положениям общепринятой акустики твердых сред.
Вместе с тем, как оказалось (в 1977 году), породные слои проявляют резонансные свойства, и с помощью соотношения (1) оказалось возможным без бурения (!) определять строение породной толщи. Ну понятно же, что использовать физический эффект при том, что не составляет труда доказать невозможность его существования, весьма затруднительно. Кроме того, использование этого эффекта в шахтах позволило создать методику прогнозирования обрушения пород кровли - явления, которое дает 50% травматизма шахтеров во всем Мире. А вот внедрять в практику методику, основанную на столь сомнительном физическом эффекте было совершенно невозможно.
На поиски отличия плексигласа от тех материалов, объекты из которых являются резонаторами, ушло 4 года. И где-то в 1981-м году было обнаружено, что различие это есть, и оно касается акустических свойств приграничных зон подавляющего большинства твердых сред.
Оказалось, что акустические свойства приповерхностных зон сред, объекты из которых проявляют свойства резонаторов, таковы, что скорость распространения фронта V fr при нормальном прозвучивании непостоянна, и уменьшается с приближением фронта к поверхности.
На рис.1 приведен случай нормального прозвучивания пластины-резонатора 1 толщиной h . Зависимость V fr (х) , а также минимальное и максимальное значения V fr и величины зон Δ h получены на основании измерений, выполненных на множестве пластин из одного и того же материала, но имеющих различные толщины. Среднее значение скорости V fr . mid - это то значение, которое получается при определении скорости по моменту первого вступления.
При подобных же исследованиях пластин из оргстекла скорость V fr . mid при изменении толщины пластины h остается постоянной, из чего можно сделать вывод о том, что в оргстекле (пластина-нерезонатор) зоны Δ h отсутствуют.
При излучении диском-излучателем 1 гармонического сигнала, на собственной частоте прозвучиваемой пластины-резонатора f 0 , то есть, на резонансе, э.д.с. на диске-приемнике 3 исчезает, но появляется на диске-приемнике 4 . Этот эффект называется акустическим резонансным поглощением (АРП) .

Рис. 1

Пьезокерамический диск-излучатель 2 , прозвучиваемая пластина 1 и пьезокерамические диски-приемники 3 и 4 находятся в жидкости (вода или масло).
Таким образом, на резонансе происходит переориентация первичного поля, излученного пьезопреобразователем 1 , в ортогональном направлении. Поворот поля в ортогональном направлении происходит при наличии приповерхностных зон Δ h .
Связь между наличием зон Δ h и поворотом поля в ортогональном направлении довольно проста. Дело в том, что скорость движения какого-либо объекта или скорость распространения какого-либо процесса не может изменяться без внешнего воздействия. Поэтому на самом деле, в зоне Δ h изменяется не скорость распространения фронта V fr , а ее x -составляющая, что возможно только при наличии возникновения y -составляющей. Иначе говоря, вектор остается постоянным по величине, но в зонах Δ h происходит поворот вектора V fr .
То есть, получается, что при ударном воздействии на слой-резонатор его поверхности становятся излучателями его собственной частоты f 0 , а при гармоническом излучателе слой-резонатор становится на резонансе звуконепрозрачным. Но в обоих случаях, при любом воздействии, вдоль слоя-резонатора распространяется поле упругих колебаний с частотой f 0 .
Акустическая изоляция слоя-резонатора на его собственной частоте от прилегающих к нему объектов использовалась весьма давно. Так, замечено, что если приложить ухо к земле, то конницу слышно на колоссальных расстояниях. На самом деле, это не конницу слышно, а собственные колебания породного слоя-резонатора, возбуждаемого конскими копытами. Весьма слабое затухание поля, распространяющегося вдоль слоя-резонатора, как раз и есть следствие акустической изоляции его от прилегающих к нему пород.
При ударном воздействии на породный массив при сейсморазведочных работах возникающее при этом поле упругих колебаний распространяется вдоль напластования пород. Это противоречит основам сейсморазведки, согласно которым поле, возникающее в результате удара, распространяется во все стороны.
Это очень серьезный момент для понимания принципа действия сейсморазведки. Получается, что сигналы, получаемые на сейсмограммах, приходят не снизу, не из глубины, а сбоку, поскольку распространяются исключительно ВДОЛЬ напластования.
При спектральном анализе сейсмосигналов оказалось, что соотношение (1) выполняется при величине коэффициента k в числителе, равном 2500м/с. При этом погрешность определения толщины породного слоя не превышает 10%.
Надо полагать, что процесс, сориентированный в направлении y при направленном излучении в направлении x , является поперечным. И, таким образом, можно утверждать, что собственный колебательный процесс формируется поперечными волнами, а коэффициент k есть не что иное, как скорость поперечных волн V sh .
Обнаружение, по сути, новых, неизвестных ранее колебательных систем требует перестройки мышления. Когда в свое время было обнаружено, что Земля - шар, то осознание этого, а также переход от геоцентрической к гелиоцентрической системе, потребовали перестройки сознания жителей Земли. Однако перестройка эта шла несколько столетий, поскольку особого изменения алгоритмов жизненных условий эта новая информация не потребовала. Сейчас ситуация несколько другая.
В связи с тем, что наша планета состоит в значительной степени из породных слоев, получается, что в целом она представляет собой совокупность колебательных систем. А это значит, что любое воздействие на поверхность Земли должно вызывать реакцию в виде совокупности гармонических затухающих процессов. В случае же, если воздействие вибрационное, то оказываются возможными резонансные явления.
При рассмотрении резонансных явлений возникает потребность в учете характерного для колебательных систем параметра - добротности Q. В самом определении добротности скрыта информация о колоссальных разрушительных возможностях резонанса. Добротность Q показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда вибрации в случае резонанса.
Реальные значения Q для колебательных систем, реализуемых залегающими в земной толще геологическими структурами, могут достигать нескольких сотен. И если в зоне такой вот высокодобротной колебательной системы окажется объект, оказывающий на грунт вибрационное (динамическое) воздействие, то именно во столько раз увеличится амплитуда вибрации этого объекта.
Однако рост величины вибрации имеет вполне определенные ограничения. Эти ограничения определяются тем, что при некоторой амплитуде вибрации возникает превышение упругих деформаций и наступает разрушение. Разрушиться может грунт, на который оказывается вибрационное воздействие, и это проявляется мгновенным, взрывоподобным проседанием, с образованием воронки. При армировании грунта разного рода железобетонными конструкциями (например, железобетонная плотина ГЭС), могут не выдержать и порваться шпильки, на которых к плотине крепится генератор.
При небольших значениях Q (скажем, до 10) резонанс проявляется повышенной вибрацией. Это неприятно для обслуживающего персонала, это приводит к образованию разного рода люфтов и дисбаланса работающего механизма, но сокрушительного, мгновенного разрушения такой низкодобротный резонанс не вызовет.
В случае, если Q существенно больше того предельного значения, при котором амплитуда вибрации вызывает неизбежное разрушение, резонанс может существовать только кратковременно. Так, допустим, что при штатной частоте вибрации динамо-машины 50 Гц, непосредственно под этой установкой залегает геологическая структура, имеющая собственную частоту, скажем, 25 Гц при добротности Q=200. Тогда в течение всего срока штатной эксплуатации вибрация будет в пределах нормы. Однако предположим, что машину по какой-то причине нужно остановить, и тогда, в процессе остановки, в течение какого-то времени, частота ее вращения окажется близкой к резонансной, к 25 Гц. В зоне резонанса начнется плавный рост амплитуды вибрации. И здесь вопрос в том, насколько быстро частота вращения ротора минует зону резонанса, и успеет ли амплитуда вибрации возрасти до разрушительного значения.
Нетрудно заметить, что здесь в качестве примера была рассмотрена ситуация, которая сложилась на Саяно-Шушенской ГЭС. Там вибрация гидроагрегатов в нормальном, рабочем режиме возросла до неприемлемых значений. И когда было принято решение об остановке, скорость стали уменьшать весьма медленно. В результате, при прохождении зоны высокодобротного резонанса амплитуда вибрации успела возрасти настолько, что не выдержали шпильки, крепившие гидроагрегат. И, кстати, самописцы гидроагрегата показали возрастание вибрации в 600 раз.
Характерным признаком, предвестником резонансного разрушения является рост вибрации.
Первое достоверное свидетельство о наличии такого предвестника имело место при аварии на ЧАЭС. Там ведь все началось при изменении режима реактора и, соответственно, скорость вращения агрегатов. При этом началась вибрация, амплитуда которой стала быстро увеличиваться, достигла такого уровня, что люди в панике стали покидать эту зону. Оборвалась вибрация сейсмотолчком (взрывоподобным разрушением грунта), отмеченным сейсмологами. И только через полминуты после этого произошло разрушение реактора.
В дальнейшем, появлялась информация о том, что этот предвестник имеет место при разрушении разного рода насосных станций. Точно так же, при изменении частоты вибрации компрессора вдруг начинается рост амплитуды вибрации, завершающийся провалом в грунт оборудования. В качестве причины такого события обычно называют либо теракт, либо некачественные сваи, на которых стоит станция.
Зачастую имеют место железнодорожные аварии, когда без всяких видимых причин поезд рвется на две части, когда вдруг, внезапно, взрывоподобно разрушается насыпь с образованием углубления, и в эту воронку проваливаются мгновенно разрушившиеся шпалы и куски рельсов. Именно в этот момент разрушения пути рвется состав. Однако в вагоне, который оказывается последним из проскочивших эту зону, имеет место сильнейшая вибрация, которая обрывается мгновенным разрушением насыпи.
13-го августа 2007 года в Новгородской области произошла такая авария с поездом N166 Москва - Петербург. Позже очевидцы описали , что произошло: «...сначала поезд начало трясти, после чего последовал хлопок. Проводники, которые не один год работают на этом маршруте, потом признавались, что стали прощаться с жизнью, так как на их памяти такое произошло в первый раз». Ключевой момент - это то, что очевидцы перед ударом ощутили сильную вибрацию.
3 марта 2009 года в Кельне внезапно обрушилось шестиэтажное здание архива. Как сообщило агентство Reuters , перед обрушением наблюдался грохот и сильная вибрация. «Стол, за которым я сидел, качнулся, и я подумал, что кто-то случайно задел его ногой, - сказал один из посетителей архива. - Потом все начало трястись, как во время землетрясения ». Дом превратился в груду кирпичей буквально за секунды. Представитель полиции сказал журналистам, что «это было похоже на взрыв»: кирпичи, доски и куски цемента разлетелись по тротуару в радиусе до 70 метров. Под зданием архива проходит ветка метро, тоннель которой тоже обвалился. Источник вибрации, как оказалось, находился в тоннеле метро. Этим источником была работавшая там буровая установка.
Подробно физика резонансных разрушений рассмотрена в работах . Здесь же представляется необходимым поставить следующий вопрос. Является общеизвестным, что нарастание амплитуды вибрации, обрывающееся взрывоподобным разрушением однозначно связано с резонансными явлениями. Так почему же мы никогда не слышим слова «резонанс» при расследовании катастроф, имевших такой предвестник? Причина оказалась чисто психологической. Согласно укоренившемуся мнению, в земной толще НЕТ никаких колебательных систем. А если нет колебательных систем, значит, не может быть речи о резонансе.
Если все же допустить предположение о резонансе, то неизбежен вопрос о колебательной системе. Потому что без колебательной системы не может быть резонанса.
Далее, если допустить, что земная толща действительно представляет собой совокупность колебательных систем, то это подрывает устои сейсморазведки. Ведь рассмотрение сейсморазведки возможно только в рамках ее общепринятой модели, согласно которой земная толща представляет собой совокупность отражающих границ.
Не имеет значения, дает сейсморазведка информацию или нет, потому что это колоссальный, многомиллиардный бизнес, который трогать нельзя. Бизнес, построенный на фальсификациях, но столь огромный, что сейсморазведка уже не нуждается в том, чтобы ее кто-то подтверждал.
Сейчас уже нет, наверное, функционирующих ученых, кто бы не знал, что является доказанным факт того, что планета наша - это совокупность колебательных систем. Но теперь у них главная задача - сделать вид, что они этого не знают. Любое открытие в той или иной степени перечеркивает предыдущий уровень знания. Да, действительно, если бы эта точка зрения была освоена и принята, количество техногенных катастроф пошло бы на убыль. Но увы, ученым это не нужно. Для них главное - уцелеть до конца жизни на достигнутом уровне, и чтобы никто не перечеркивал тот уровень знания, на котором они достигли своих высот. И это безусловно по значимости перевешивает для них все те катастрофы, которые можно было бы предотвратить.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний .
2. Свидетельство проводников Северного Экспресса www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html
3. Свидетельство разрушения архива в Кельне www.gazeta.ru/social/2009/03/04/2952320.shtml
4. Гликман А.Г. Вибрация и резонансные явления в нашей жизни (что произошло на Саяно-Шушенской ГЭС)
5. Гликман А.Г. Планета Земля как совокупность колебательных систем и техногенные и природные землетрясения как следствия из этого

под копытами эскадрона гвардейской кавалерии

рушится Египетский мост через реку Фонтанку в Петербурге.

Представь, что ты стоишь на раскачивающемся деревянном реечном мостике. Понятно, что если ты начнёшь сам раскачиваться в такт с качаниями мостика, то мостик начнёт раскачиваться ещё сильнее.

Настоящие современные мосты тоже, на самом деле, колеблются незаметно для невооружённого глаза. Архитекторы знают, что явление резонанса (то есть совпадения собственной частоты с частотой внешнего воздействия) может привести к катастрофическим последствиям.

Египетский цепной мост через Фонтанку

Так, 2 февраля 1905 года рухнул Египетский мост в городе Санкт-Петербурге, когда по нему проходил конный эскадрон. Считается, что причиной происшествия стало то, что всадники, гарцуя на лошадях, попали в резонанс с собственными колебаниями моста.
На школьных уроках физики, когда изучают явление резонанса, часто приводят пример этого разрушения, когда по мосту в одном направлении прошел «в ногу» эскадрон Конногвардейского полка, а в противоположном — 11 саней с возницами.
Обычно отряд военных делает 120 шагов в минуту, и эта частота (2 Гц) совпала с частотой собственных колебаний конструкции. С каждым шагом размах колебаний пролета увеличивался, и, наконец, мост не выдержал. Мост вошёл в резонанс и обрушился. Он был одним из пяти подвесных мостов в городе.
Вся настилка моста вместе с перилами и скреплениями, разорвав цепи и сломав часть чугунной опоры, проломала лед и оказалась на дне реки.
К счастью, обошлось без жертв, всем удалось выбраться на берег. Серьезно пострадавших, по официальным сведениям, не оказалось.
Впоследствии, военным было запрещено проходить по мостам в ногу. Появилась даже специальная команда: "Шагай вразнобой!".

Египетский мост через реку Фонтанку. Мост получил своё название из-за своеобразного оформления.

В настоящее время сфинксы - это все, что осталось от первого моста. Теперь этот мост не цепной и не подвесной.

А в 1940 году из-за резонансных колебаний разрушился Такомский мост в США. На фотографии видно, как его "перекрутило".

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.

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.