Сварочные инверторы. Схемы подключения высокочастотных преобразователей. Резонанс — это физическое явление. Теория и реальные примеры Резонансный мост

Физики разработали модель, с помощью которой можно оценить критическое количество шагающих по мосту пешеходов, которое приведет к его резкому раскачиванию. По словам авторов исследования, опубликованного в Science Advances , предложенная ими модель позволит в будущем строить более безопасные пешеходные мосты.

Несмотря на то, что при проектировании пешеходных подвесных мостов сейчас используются самые современные пакеты для компьютерного моделирования, все равно иногда наблюдаются ситуации, когда из-за большого количества пешеходов на мосту он внезапно начинает сильно колебаться. Иногда эти колебания могут быть настолько сильными, что становятся причиной возникновения небезопасных ситуаций и разрушения части конструкций. Наиболее показательными примерами являются открытие моста Сольферино в Париже в 1999 году или регулярно раскачивавшийся мост Миллениум в Лондоне, который пришлось из-за этого перестраивать вскоре после открытия.

Раскачивающийся мост является классической колебательной системой, в которой шагающие пешеходы являются источниками внешней периодической силы. При совпадении собственной частоты колебаний моста с частотой внешней силы система приходит в резонанс, и амплитуда колебаний резко увеличивается. Если же источников внешней силы много и у всех них одинаковая частота (то есть пешеходы совершают одинаковое количество шагов за одинаковые промежутки времени), то между ними может еще происходить синхронизация фазы, когда все начинают шагать одновременно. Именно синхронизацию фазы обычно называют основной неучтенной причиной при проектировании, которая приводит к возникновению резонансных колебаний на реальных мостах. Несмотря на актуальность проблемы, все предыдущие модели, описывающие такой механизм, не могли объяснить пороговый эффект такого явления: при числе пешеходов меньше критического мост почти не раскачивается, но как только количество пешеходов, шагающих в ногу, превысит определенное значение, наблюдается резкое увеличение амплитуды поперечных колебаний.

Группа физиков из США и России под руководством Игоря Белых (Igor Belykh) из Университета штата Джорджия предложила новую модель, которая, помимо остальных параметров, учитывает и биомеханику человеческого тела в момент совершения шага. В рассматриваемой системе сам мост является колебательной системой, в которой под действием шагающих пешеходов возникают затухающие вертикальные колебания. Для описания шагающего человека рассмотрели две биомеханические модели (более полную и ее упрощенный аналог), которые учитывают, что в ответ на вертикальное колебание моста человек наклоняется в сторону и возбуждает таким образом поперечные колебания.

Схема рассматриваемой физической системы. Слева изображен мост, в котором шагающие пешеходы возбуждают его колебания, справа - человек, который реагирует на движение моста, вызывая тем самым его поперечные колебания

I. Belykh et al./ Science Advances

Точного аналитического решения для полученной системы уравнений нет, поэтому для нахождения решений авторы работы использовали численные методы. В отличие от всех предыдущих, предложенная модель привела к возникновению порогового эффекта. Если все пешеходы шагают в ногу, то при увеличении числа людей на мосту может внезапно возникнуть неустойчивость. Для подтверждения работы модели, физики проверили ее для описания раскачивания лондонского моста Миллениум, для которого даже известно точное количество человек, которое приводило к резонансу - 165.

При этом такой же эффект наблюдался и в случае, когда частота шага у разных пешеходов немного варьировалась, что еще сильнее приближает модель к реальности. Кроме того, оказалось, что наличие синхронизации фазы критично только для колебания очень тяжелых мостов (как тот же мост Миллениум, который весит около 130 тонн) с большой амплитудой. Возбуждение же колебаний с маленькой амплитудой возможно даже без синхронизации фазы. Такие случаи тоже наблюдались в реальности, и одним из возможных механизмов возбуждения колебаний даже единственным источником ученые называют смену скорости шага при движении по мосту.

В своей работе физики выразили надежду, что предложенная ими модель будет в дальнейшем использоваться для более точного проектирования безопасных подвесных и пешеходных мостов.

Для диагностики повреждений, которые появляются на крупных мостах, сейчас используются различные методы, основанные на исследовании механических характеристик и выявлении дефектов с помощью ультразвука. Недавно для осмотра мостов, в том числе и их подводных частей, дроны.

Александр Дубов

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.

Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.

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.

Явление резонанса наблюдается в механических колебательных системах, которые подвергаются действию на них сторонних сил периодически. Эти силы передают колебательной системе некую энергию, которая переходит в энергию движения, т.е. система раскачивается и амплитуда колебаний возрастает и становится максимальной, когда внешняя сила действует на колебательную систему с такой же частотой, какая частота колебаний у самой системы – это и есть РЕЗОНАНС.

Висячие мосты обладают рядом неоспоримых достоинств по сравнению с конструкциями мостов других типов. Однако уже давно было замечено, что висячие мосты весьма ненадежны при сильном ветре. Одной из крупнейших в истории мостостроения катастроф стало обрушение моста через реку Такома (США) 7 ноября 1940 года. Строительство этого моста было закончено летом 1940 года. Пролет, третий в мире по длине, имел длину 854м. Большого движения не ожидалось и мост был построен очень узким - шириной 11,9м. Проезжая часть была рассчитана на 2 ряда автомобилей. Полотно дороги было подвешено на двух стальных канатах со стрелой провеса 70,7м.
Сразу после постройки была обнаружена большая чувствительность моста к действию ветра, амплитуды (размахи) колебаний моста достигали 1,5 м. Было сделано несколько попыток устранить эти большие колебания путем введения дополнительных связей и установки гидравлических демпферов (амортизаторов) на пилонах; так называются столбы, поддерживающие основные (несущие) тросы в висячих мостах. Но это не предотвратило катастрофы.
Начиная с 8 часов утра 7 ноября наблюдались не очень сильные вертикальные многоузловые (в форме нескольких волн) изгибные колебания с частотой 0,8 Гц. Примечательно, что ветер имел не очень большую скорость, около 17 м/с, тогда как до этого были случаи, когда мост выдерживал более сильный ветер. Около 10 часов утра скорость ветра несколько возросла (до 18,7 м/с), и установились одноузловые (в форме одной волны) изгибно-крутильные колебания со значительно меньшей частотой (0,2 Гц) и весьма большими амплитудами. Когда закрутка достигала максимума, проезжая часть наклонялась к горизонту под углом 45°. Резкое изменение частоты колебаний произошло, по-видимому, вследствие обрыва каких-то важных связей в конструкции. Мост выдерживал эти колебания около часа, после чего большой участок проезжей части полотна отломился и упал в воду. Весь процесс был заснят на кинопленку, что явилось ценным материалом для исследования причин обрушения.
Катастрофа привлекла огромное внимание исследований. Уже через две недели после свершившегося известный механик Т. фон Карман дал объяснение причин катастрофы и даже указал скорость ветра, при которой это может случиться. Разрушение произошло при скорости ветра порядка 18 - 19 м/с, а Т.фон Карман расчетом получил 22,2 м/с. Так что даже это можно назвать успехом механика.
Какие выводы отсюда сделали механики? Сейчас через реку Такома построен другой мост. Его ширина увеличена более чем в 1,5 раза и составляет 18 м, изменено так же сечение проезжей части. Кроме того, сплошные балки заменены сквозными фермами, что значительно уменьшает силу давления ветра. Современные висячие мосты - это легкие конструкции, подвешенные на стальных канатах, называемых вантами. Они выдерживают большие ветры и прочие нагрузки и нормально функционирует уже много лет. Известно, что таких катастроф, какая была с Такомским мостом, здесь произойти не может. Механики сумели понять, что может произойти и как это предотвратить.
Резонанс может произойти, когда большая масса, например, солдат строем, чеканя шаг, должна перейти по мосту, при этом, звучит команда - отставить марш, люди переходят мост, как обычные пешеходы... Станки с вращающимися частями устанавливают на массивные основания-фундаменты, чтобы при раскачивании станка (которое не избежать) не произошло явление резонанса у фундамента и он не разрушился.
Явление резонанса - основа радиотелефонной связи, телесвязи.

Мост Такома-Нэрроуз (Такомский мост) относится к разряду висящих мостовых сооружений. Находится в штате Вашингтон, Соединенные Штаты Америки. Проложен через Такома-Нерроузкий пролив, который, в свою очередь, является частью залива Пьюджет-Сауд.

История создания

Изначально строился по проекту Леона-Соломона Моисеева, выходца из России. Он известен как инженер-конструктор, строитель мостов, активный участник общественной жизни. Такомский мост открыли для передвижения в июле 1940 года. Уже при его возведении строители обратили внимание на колебания и раскачивания полотна дороги моста при усилении ветра. Это было обусловлено недостаточно высокой балкой жесткости. В обиходе мост стал называться «Голопирующей Герти».

Характеристики моста

На время постройки Такомского моста он являл собой примечательное сооружение. Это была висячая (вантовая) трехпролетная конструкция. Общая длина ее составляла 1810 метров. А длина центрального подвешенного пролета - 854 метра. В ширину мост был около 12 метров. Основные несущие тросы в диаметре составляли 438 миллиметров. Балка жесткости достигала в высоту 2,44 метра, что было признано в последующем просчетом. Конструкцию моста держали стальные пилоны, стоящие на бетонных опорах (быках).

Крушение

7 ноября 1940 года, когда период эксплуатации составлял всего четыре месяца, произошло разрушение Такомского моста. В этот день скорость ветра достигла 65 км/час. С учетом того, что в этот день движение на мосту было минимальным, это позволило избежать человеческих жертв.

Сам факт разрушения в динамике был запечатлен на кинопленку. Это позволило в последующем тщательно изучить и исследовать этот процесс. Кинохроника и фото моста Такома-Нэрроуз в процессе его разрушения действительно очень впечатляющие.

На основании кинопленки был создан получивший всемирную известность документальный фильм The Tacoma Narrows Bridge Collapse.

Причины разрушения

По результатам исследований, изучения документальных материалов установлено, что основным фактором, приведшим к аварии, стали вызванные сильным ветром запредельные динамические крутильные колебания. Выяснено, что проект Такомского моста рассчитывали и проектировали с учетом только статистических и ветровых нагрузок. Однако возможное воздействие на его конструкцию аэродинамических факторов не изучалось.

Колебание полотна моста возникло из-за Оно стало усиливаться вследствие вертикального колебания тросов. Ослабление троса с одной стороны моста и напряжение с другой породили крутильные явления, привели к наклону пилонов и, как следствие, к обрыву подвесок центрального пролета. Мост оказался конструктивно излишне гибким, обладающим небольшой сопротивляемостью к поглощению динамических сил.

Киносъемка зафиксировала, что мост стал раскачиваться тогда, когда скорость ветра составляла порядка 19 метров в секунду. Хотя в проекте устойчивость его к ветрам рассчитывалась, исходя из 50 метров в секунду.

Выводы

Разрушение Такомского моста заставило конструкторов-мостостроителей (и не только) начать исследования в области аэродинамики, аэродинамической устойчивости конструкций и сооружений. Это привело к изменению взглядов на проектирование мостов с большими пролетами.

В теории причиной стали обозначать явление вынужденного механического резонанса. Однако в практике считается, что к ней привел т. н. аэроупругий флаттер (крутильные колебания) вследствие недостаточных расчетов по ветровым нагрузкам еще на стадии проектирования.

Новый мост

Разбор рухнувшего сооружения начали сразу же после аварии. Был осуществлен демонтаж пилонов и боковых пролетов. Этот процесс длился до 1943 года, когда начали возводить новый мост. От старого сооружения применение нашли основания пилонов, анкерные устои, некоторые другие части. Воссозданный мост ввели в эксплуатацию в октябре 1950 года. Он стал на тот период третьим в мире висячим мостом (исходя из длины в 1822 метра).

В целях придания и для снижения нагрузок аэродинамического характера в его элементы ввели фермы открытого типа. Установили дополнительные стойки жесткости. Он оборудован деформационными швами и системами гашения вибраций. Мост мог пропускать до 60 тысяч автомобилей за сутки.

В 2007 году параллельно действующему был построен еще один мост. Цель постройки - увеличение пропускной способности шоссе. Длина его составляет 1645,9 м, а ширина - 853,4 м. Высота пилонов - 155,4 метра.