Сторінка
1

Резонанс. Використання резонансу в техніці і подолання його

Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань у випадку, коли частота зміни зовнішньої сили, яка діє на систему, збігається з частотою вільних коливань, називається резонансом (від латинського сло­ва reѕonanѕ — той, що відгукується), а відповідна частота - резонансною частотою. (мал. 1)

Будь-яке пружне тіло: міст, станина машини, її вал, корпус корабля чи крила літака є коливальною системою і характеризується власними частотами коливань. Робота багатьох машин, механізмів, верстатів, будинків та інших споруд супроводжується виникненням сил, які періодично змінюються і за напрямом, і за значенням. Так, у поршневих машинах, до яких належать двигуни внутрішнього згоряння і парові машини, внаслідок зворотно-поступального руху деяких частин (наприклад, поршня), вихлопу газу чи пари виникають періодично збуджуючі сили. Ротори турбін, вали машин тощо практично неможливо центрувати абсолютно точно. Тому під час обертання ротора чи вала на нього діє не зрівноважена періодична сила, збуджуючи коливання. Якщо частота змін напряму сили збігається з власною частотою вільних коливань машини, то амплітуда коливань машини може зрости настільки, що це призведе до її руйнування, хоча напруження в матеріалі і не перевищує межі міцності при статичних навантаженнях. Річ у тім, що залізо, сталь та інші матеріали у випадку змінних навантажень швидше чи повільніше втрачають міцність, після чого раптово руйнуються.

Вимушені коливання може здійснювати не лише машина в цілому, а й, що небезпечніше, окремі її частини: диски й лопатки турбін, крила й оперення літаків, колінчасті вали двигунів, лопасті гвинтів пароплавів тощо. подібні коливання, якщо не вжити запобіжних заходів, внаслідок виникнення резонансу можуть стати причиною розладу роботи механізму, його руйнування, а іноді й небезпечних аварій. Статистика свідчить, що близько 80 % руйнувань і аварій у машинобудуванні наслідком неприпустимих резонансних коливань. Тому інженери прагнуть так конструювати ту чи іншу установку, машину або споруду, щоб не виникало різких резонансних явищ ні в установці чи машині, ні в її окремих частинах.

Шкідливі прояви резонансу доводиться долати підчас обробки металів різанням. За певних режимів різання на металорізальних верстатах збуджуються коливання інструменту й оброблюваної деталі, що є шкідливим для верстатів, і для оброблюваних виробів. Якщо не усунути причину виникнення цих коливань, то погіршується якість обробки деталей, точність виготовлення виробів, швидше зношується верстат тощо.

У будівельній справі також багато уваги приділяють запобіганню виникнення резонансу. Будівлі, в яких встановлені швидкохідні машини, двигуни й верстати, фундаменти й перекриття їх, повинні бути споруджені так, щоб виключити можливість збудження коливань із частотою, яка дорівнює або близька до частоти коливань машини.

Надзвичайно важливим є запобігання виникнення резонансу під час конструювання й експлуатації всіх видів сучасного транспорту. Так,. наприклад, власна частота коливань корпусу теплохода чи крил літака має суттєво відрізнятися від частоти коливань, які можуть бути збуджені обертанням колеса турбіни, гребного гвинта чи пропелера. Відомі випадки, коли доводилося перебудовувати гігантські океанські лайнери лише тому, що частота власних коливань корпусу корабля збігалася з частотою змін змушуючої сили, що виникала під час роботи двигунів.

Існують два основні методи запобігання резонансу:

а) забезпечення такого режиму роботи системи, в якому частота змушуючої сили і власна частота коливань системи істотно відрізняються за значенням. Скажімо, швидкість обертання сучасних парових турбін значно перевищує так звану критичну швидкість, яка відповідає резонансу;

б) збільшення затухання коливань системи. Для цього збільшують тертя в системі, застосовують спеціальні загасники коливань, або демпфери.

Зрозуміло, що явище резонансу має і корисне застосування, коли необхідно дістати в системі якомога більші коливання (у музичних інструментах, гучномовцях тощо). Людське вухо сприймає звуки внаслідок резонансу коливань у вушній раковині. Особливо широкого явище резонансу використовується в радіотехніці для підсилення коливань. Резонанс дає можливість відокремити сигнали даної радіостанції від сигналів інших одночасно працюючих радіостанція. З цими застосуваннями резонансу ви ознайомитеся пізніше.

Явище резонансу використовується в будові ч а с т о­т о м і р і в — приладів для вимірювання частоти змінного струму, а також для вимірювання частоти механічних коливань системи. Частотомір складається з набору «язичків» — пружних пластинок, прикріплених гвинтами До спільноїпланки (мал. 2 ). Кожна пластинка має певну власну частоту коливань, яка залежить від її пружних властивостей, довжини й маси. Пружини добираються так, щоб їх власні частоти утворювали ряд цілих чисел. До спільної планки прикріплюється також якір, розміщений над полюсом електромагніту. Якщо по обмотці електромагніту пропускати змінний струм, то якір почне коливатися і спричинить тим самим коливання прикріплених пластинок. І лише та пластинка, власна частота коливань якої збігається з частотою коливань планки (настроєна в резонанс), матиме більшу амплітуду коливань. Це і дає можливість визначити частоту змінного струму.

Цей самий прилад може бути використаний і для вимірювання частоти механічних коливань машини чи механізму. Для цього слід прикріпити планку частотоміра. До тієї частини машини, коливання якої треба дослідити. Пластинка, частота власних коливань якої найближча до частоти коливань машини, потрапить у резонанс, і в пластинці виникнуть значні коливання, які легко помітити.

До явища резонансу вдаються водії й пасажири транспорту, який загруз у снігу чи на мокрій ґрунтовій дорозі. Щоразу коли не очікується швидке прибуття рятівних засобів, вони, розгойдуючи машину, прагнуть прикладати зусилля в такт з власною частотою коли­вань машини за даних умов, тобто прагнуть ввести коливання машини в резонанс, оскільки амплітуда коливань при цьому буде максимальною. В більшості випадків це приносить успіх і подорож продовжується.