Резонанс: його значення у фізиці, причини і приклади явища
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Визначення
Добротність
- При низькому ступені добротності коливальна система не буде зберігати довгий час змушені коливання, і дуже скоро повернеться до природних коливань.
- В певних ситуаціях висока добротність може бути небезпечною, так як сильний резонанс і багаторазове збільшення амплітуди коливань призведе до руйнування фізичного тіла.
Види і приклади
Тільки в самій фізиці розрізняють такі види резонансу як:
- Механічний резонанс – це все ті ж вищезгадані гойдалки, резонанс мосту від роти солдатів, резонанс дзвону і т. д. Одним словом, резонанс, викликаний механічними впливами.
- Акустичний резонанс – це резонанс, завдяки якому працюють всі струнні музичні інструменти: гітара, скрипка, лютня, балалайка, банджо і т. д. До речі корпус музичних інструментів неспроста має свою форму. Звук, видаваний струною при щипку, потрапляє всередину корпусу і там вступає в резонанс зі стінками, що в результаті призводить до його посилення. З цієї причини якість звучання тієї ж гітари сильно залежить від того матеріалу, з якого вона зроблена і навіть від лаку яким вона покрита.
- Електричний резонанс – являє собою збіг частоти коливань зовнішньої напруги з частотою коливань електричного кола, по якому йде струм.
Крім цих суто фізичних резонансів є ще вже згаданий нами суспільний резонанс – яскравий відгук суспільства на якусь подію (зазвичай політичну або економічну), наприклад брекзіт Британії, її вихід з Європейського союзу викликав широкий суспільний резонанс у багатьох країнах Європи і, особливо, зрозуміло, в самій Британії.
Є також і когнітивний резонанс – це повний збіг у поглядах і думках. Наприклад, ви познайомилися з новою людиною, а вона думає так само як ви, у вас абсолютно схожі погляди, смаки, уподобання, тоді має місце когнітивний резонанс. І протилежне явище – когнітивний дисонанс, коли ви абсолютно не згодні з кимось або чимось, абсолютно не приймаєте те, що відбувається. (Наприклад, автор цієї статті, опинившись в якомусь українському бюрократичному закладі, будь-то ЖЕКу, БТІ або податковій відчуває справжній когнітивний дисонанс)).
Небезпека і користь
Резонанс, як і будь-яке інше фізичне явище, сам по собі не є ні поганим, ні хорошим, так як може приносити як користь, так і шкоду. Наприклад, саме резонанс допомагає витягти автомобіль, що застряг в бруді або снігу, планомірне розгойдування авто, то взад, то вперед із збільшенням амплітуди коливань допомагає звільнити його з полону.
А ось хрестоматійний негативний приклад дії резонансу описаний в самому початку нашої статті, і пов’язаний з мостами. Якщо рота солдат стройовим кроком пройде по мосту, то може якщо й не зруйнувати його, то значно пошкодити, тому, що викличе сильний резонанс власних коливань поверхні мосту з коливаннями від маршу «нога в ногу» сотень солдатів.
Втім, сильний резонанс моста може статися і не тільки від роти солдатів, конструкторам і архітекторам давно відоме таке поняття як «Такомський міст» – це міст побудований з сильними порушеннями будівельних норм. Справа в тому, що в 40-х роках ще XIX століття в США сталося обвалення висячого моста. Причиною обвалення був резонанс. Але рота солдатів по мосту не марширувала, винуватцем на цей раз був вітер – коливання вітру вступили в резонанс з власними коливаннями конструкції моста і в результаті викликали його обвалення.
З тих пір технології будівництва мостів зазнали значні зміни, а інженери, конструктори і архітектори при проектуванні своїх об’єктів обов’язково беруть до уваги явище резонансу. Цей феномен необхідно враховувати не тільки при будівництві мостів, але і при зведенні висотних споруд, антен, високих опор, словом всього того, що теоретично може увійти в резонанс з повітряними потоками.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.
Формула тиску у фізиці
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Визначення
Під тиском у фізиці розуміється термодинамічна величина, виражена співвідношенням перпендикулярної сили тиску на площу поверхні, на яку вона впливає. При цьому згідно з законом Паскаля якщо система знаходиться в стані рівноваги, то тиск на неї буде однаковим для всіх точок системи. У фізиці, як втім і хімії, тиск позначають великою буквою Р, що походить від латинського слова «pressura» – тиск. (В англійській мові тиск так і залишився майже без зміни -pressure).
Загальна формула
Одиниці
- Бари – один бар дорівнює 105 паскалей
- Міліметри водяного стовпа
- Метри водяного стовпа
- Технічні та фізичні атмосфери
Формула гідростатичного тиску
Як ми знаємо, різні агрегатні стани речовини, мають різні фізичні властивості. Рідини своїми властивостями відрізняються від твердих тіл, а гази в свою чергу відрізняються від них усіх. Тому цілком логічно, що способи визначення тиску для рідин, твердих тіл і газів також будуть різними. Так, наприклад, формула тиску води (або гідростатичного тиску) матиме наступний вигляд:
Де маленька p – щільність речовини, g – прискорення вільного падіння, h – висота.
Зокрема ця формула пояснює, чому при зануренні водолазів (або батискафа або підводного човна) на глибину все більше зростає тиск навколишньої води. Також з цієї формули зрозуміло, чому на предмет, занурений в якийсь кисіль, буде впливати більший тиск, ніж на предмет, занурений просто у воду, так як щільність кисіля (p) вище, ніж у води, а чим вище щільність рідини, тим вище її гідростатичний тиск.
Наведена нами формула гідростатичного тиску справедлива не тільки для рідин, але і для газів. Тому піднімаючись високо в гори (де повітря більш розріджене, а значить менший тиск), як і спускаючись у підводні глибини, людина, водолаз або альпініст повинен пройти спеціальну адаптацію, звикнути до того, що на нього буде діяти інший тиск.
Різка зміна тиску може призвести до кесоної хвороби (у випадку з водолазами) або до «гірської» хвороби (у випадку з альпіністами). І «кесонка» і «горняшка», як їх сленгово називають водолази і альпіністи, викликана різкою змінної тиску навколишнього середовища. Тобто, якщо не підготовлена людина почне раптом підніматися на Еверест, то вона швидко зловить «горняшку», а якщо ця ж людина почне опускатися на дно Маріїнської западини, то гарантовано отримає «кесонку». У першому випадку причиною буде не адаптація організму до зниженого тиску, а в другому – до підвищеного.
Американські водолази у декомпрессіоній камері, покликаній підготувати їх до глибоководних занурень і адаптувати організм до високого тиску океанських глибин.
Парціальний тиск та його формула
Хоча формула гідростатичного тиску застосовна для газів, але тиск для них зручніше обчислювати за іншою формулою, формулою парціального тиску.
Справа в тому, що в природі рідко зустрічаються абсолютно чисті речовини, причому це стосується як рідин, так і газів. Зазвичай на практиці в навколишньому світі переважають різні суміші, і логічно, що кожен з компонентів такої суміші може надавати різний тиск, такий різний тиск і називають парціальним. Визначити парціальний тиск просто – він рівний сумі тисків кожного компонента даної суміші. Звідси формула парціального тиску матиме наступний вигляд:
Де P1, P2 и P3 – тиски кожного з компонентів газової суміші, так званий «ідеальний газ».
Наприклад, щоб визначити тиск повітря звичайної формули гідростатичного тиску обчисленої тільки з киснем недостатньо, так як повітря в реальності являє собою суміш різних газів, де крім основного компонента кисню, яким ми всі дихаємо, є й інші: азот, аргон і т. д.
Такі розрахунки потрібно проробляти за допомогою формули парціального тиску.
Формула тиску ідеального газу
Також варто зауважити, що тиск ідеального газу, тобто кожного окремого з компонентів газової суміші зручно порахувати за формулою молекулярно-кінетичної теорії.
Де n – концентрація молекул газу, T – абсолютна температура газу, k – постійна Больцмана (вказує на взаємозв’язок між кінетичною енергією частинки газу і її абсолютною температурою), вона дорівнює 1,38*10 -23 Дж/К.
Прилади для вимірювання
Зрозуміло, людство винайшло багато приладів, що дозволяють швидко і зручно вимірювати рівень тиску. Для вимірювання тиску навколишнього середовища, він же атмосферний тиск, використовують такий прилад як манометр або барометр.
Так виглядає класичний барометр для вимірювання атмосферного тиску.
Щоб дізнатися артеріальний тиск у людини, що часто служить причиною нездужань використовується прилад відомий більшості під назвою неінвазивний тонометр. Таких приладів існує безліч різновидів.
Також біологи в своїх дослідженнях займаються розрахунками осмотичного тиску – це тиск всередині і зовні клітини. А метеорологи, зокрема по перепадах тиску в навколишньому середовищі прогнозують нам погоду.
Рекомендована література та корисні посилання
- ДСТУ 3651.1-97. Метрологія. Одиниці фізичних величин. Похідні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць та позасистемні одиниці. Основні поняття, назви та позначення.
- E. R. Cohen et al, «Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry», IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008). — p. 14.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.