Механические колебания в природе и технике

1.

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение
«Средняя образовательная школа №10»
«Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям»
Р. Бишоп
Механические колебания в
природе и технике
Руководитель: М.И. Бородина,
учитель физики высшей
квалификационной категории
Арсеньевский городской округ

2.

«Танцующий» мост
Волгоградский «танцующий мост»
20 мая 2010 года движение по
мосту было прекращено из-за
сообщения
диспетчеров
о
сильном
раскачивании
конструкции.
По
словам
очевидцев, амплитуда колебаний
составляла около 1 метра.
Из-за значительной ветровой
нагрузки мост вошёл в резонанс с
амплитудой
колебаний
в
вертикальной плоскости около 5060 см. Осмотр показал, что
дорожное покрытие и опоры не
получили повреждений.
В ноябре 2011 года на мосту
была
закончена
установка
демпферов (гасителей колебаний).

3.

Цель исследовательской
работы
Рассмотреть характер колебаний в
неживой и в живой природе и углубить
представление о единстве материального
мира.

4.

Задачи исследовательской
работы
• Изучить
общие
закономерности
колебательных процессов;
• Рассмотреть проявления колебаний в
природе и технике;
• Определить роль резонанса в природе и
техник;
• Практически
изучить
колебания
пружинного маятника.

5. Галилео Галилей

Историческая справка
Галилео Галилей
В 1582 году Галилей,
наблюдая за маятниками,
открыл закон
независимости периода
колебаний маятника от
размаха колебаний и
массы груза; выдвинул
идею применения
маятников в часах.

6. Опыт Ж.Фуко

Историческая справка
Опыт Ж.Фуко
В 1851 году под куполом
Пантеона в Париже Ж.Фуко
провел публичную
демонстрацию вращения
Земли. Под куполом здания
Фуко подвесил
металлический шар массой
28 кг на стальной проволоке
длиной 67 м. За час
плоскость качания
повернулась более чем на
11°.

7. Землетрясения

Примеры колебательных процессов
Землетрясения
Землетрясения
наиболее
известны по тем опустошениям,
которые
они
способны
произвести. Разрушения зданий и
сооружений
вызываются
колебаниями
почвы
или
гигантскими приливными волнами
(цунами),
возникающими
при
сейсмических
смещениях
на
морском дне.
Мехико 1985г.

8.

Примеры колебательных процессов
Поперечная волна в сетке,
состоящей
из
шариков,
скреплённых
пружинками.
Колебания масс происходят
перпендикулярно направлению
распространения волны.
Возможные типы колебаний
атомов в кристалле.

9.

Примеры колебательных процессов
Круговая
волна
на
поверхности
жидкости,
возбуждаемая
точечным
источником (гармонически
колеблющимся шариком).
Генерация акустической
волны громкоговорителем.

10.

Виды и признаки колебаний
Колебательным движением называются процессы,
повторяющиеся во времени.
Колебания
делятся
на
механические
и
электромагнитные.
Признаки колебательного движения:
периодичность;
ограниченность;
действие силы.

11.

Параметры гармонических колебаний
Расстояние груза от положения равновесия до точки, в которой
находится груз, называют смещением x.
• Наибольшее расстояние от положения равновесия – называется
амплитудой A.
• Число полных колебаний в 1 секунду называется частотой
колебаний ν.
• Промежуток времени,
периодом колебания Т.
одного
полного
колебания
называется
• Число полных колебаний за 2π секунд называется циклической
частотой ω.

12.

Математический маятник
- это материальная точка, подвешенная
на невесомой и нерастяжимой нити.
Условия возникновения колебаний:
• Наличие энергии у системы,
• Возникновение возвращающей силы.
• Силы трения (сопротивления) очень
малы.
Период
свободных
колебаний
математического маятника определяется
длиной нити и ускорением свободного
падения в том месте, где находится
маятник.
l
T 2
g

13.

Пружинный маятник
Пружинный маятник – это груз
массой m, подвешенный на абсолютно
упругой пружине с жесткостью k,
совершающий
гармонические
колебания под действием упругой силы
F kx
Период
колебаний
пружинного
маятника определяется массой груза и
жесткостью пружины.
m
T 2π
k

14.

Энергия гармонических колебаний
Потенциальная энергия тела переходит в кинетическую
энергию движения тела.

15.

Механический резонанс
Явление резкого возрастания амплитуды колебаний тела,
когда частота изменений вынуждающей силы равна частоте
собственных колебаний тела.

16.

Положительное значение резонанса
Механический язычковый
частотомер - прибор для
измерения частоты
колебаний
Частотомер

17.

Музыкальные инструменты
Резонанс - один из важнейших
физических процессов, используемых
при
проектировании
звуковых
устройств, большинство из которых
содержат резонаторы, например, струны
и корпус скрипки, трубка у флейты,
корпус у барабанов.

18.

Резонанс в технике
1.
2.
3.
Совпадение
частоты
вращения волов, деталей внутри
самолетов, вертолетов приводят к
резкому возрастанию амплитуды
колебаний,
вследствие
чего
происходят
разрушительные
последствия.

19.

Разрушительная роль резонанса
Резонансные явления
вызывают необратимые
разрушения в неправильно
спроектированных мостах.
Так, в 1905 году рухнул
Египетский мост в СанктПетербурге, когда по нему
проходил конный эскадрон,
а в 1940 - разрушился
Такомский мост в США.
Такомский висячий мост

20.

Резонанс и
состояние человека
У человека диапазон
воспринимаемых частот
лежит в полосе от 16 Гц до 20
кГц. В то время как у кошки
диапазон гораздо шире: от 60
Гц до 60 кГц. Довольно
широка полоса слышимости
у птиц, черепахи, лягушки,
кузнечика. Чрезвычайно
«тонким слухом» обладают
ночные хищники.

21.

Вибротерапия
Применение с лечебной
целью
механических
колебаний низкой частоты
Вибротерапия - метод
воздействия
на
тело
пациента
при
помощи
механических
колебаний
низкой частоты.

22.

Практические исследования
Цели исследования:
• Исследовать зависимость периода колебаний
пружинного маятника от амплитуды колебаний;
• Определить период колебаний;
Рассчитать коэффициент жесткости пружины.

23.

Практические исследования
Порядок выполнения работы
• Собираем экспериментальную установку;
• Подключаем беспроводное устройство
управления «Кобра 4» к компьютеру через
USB выход;
• Запускаем программу Measure;
• Включаем беспроводное устройство связи
«Кобра 4» и прилагающийся датчик
измерения силы «Кобра 4» 40Н.
• Запускаем эксперимент “1.1.5.1. Частота
колебаний пружинного маятника”;
• Начинаем процесс измерения с нажатия
кнопки «Старт»;
• Записываем
колебания
пружинного
маятника приблизительно 10 минут, затем
завершаем опыт.

24.

Практические исследования
Зависимость силы упругости F от времени t

25.

Практические исследования
Определение периода колебаний T для 10 колебаний с большой амплитудой

26.

Практические исследования
Определение периода колебаний T для 10 колебаний с маленькой амплитудой

27.

Практические исследования
Период колебаний при больших амплитудах:
T10 = 8,29 c
T = 0,83 c
Период колебаний при маленьких амплитудах:
T10 = 8,28 c
T = 0,83 c
m
T 2π
k
Коэффициент жесткости пружины:

28.

Заключение
Входе практических исследований я убедился, что период колебаний
не зависит от амплитуды колебаний и определил коэффициент жесткости
пружины, а также приобрел навыки работы с измерительными приборами
нового поколения «Кобра-4», сбора, получения и обработки информации с
помощью компьютера.
Данная работа помогает глубже познать физические явления
протекающие в колебательных процессах.
В ходе исследовательской работы я узнали много нового и попытался
рассмотреть многообразие колебаний в неживой и живой природе,
показал роль колебаний в человеческом организме.
Достижения научно-технического прогресса во много раз умножают
возможности человека, но ставят новые задачи и проблемы перед
человечеством.

29. Список литературы

1. Ю.И. Тюрин, И.П. Чернов, Ю.Ю. Крючков.
ФИЗИКА, Ч.3. Оптика. Квантовая физика.
2. И.В. Савельев, КУРС ФИЗИКИ Ч.3;
3. А.А. Детлаф, Б.М.Яворский КУРС ФИЗИКИ.
4.Т.И. Трофимова. Курс физики.
5. Фейнмановские лекции по физике.
6. С.И. Кузнецов. Колебания и волны.
7. www.Wikipedia.org
8. www.5ballov.ru