Введение

Введение

Все связи между явлениями устанавливаются исключительно путем разного рода простых и сложных резонансов — согласованных вибраций физических систем.

Н. Тесла

Что может объединять оркестр, играющий на струнных и духовых музыкальных инструментах, мычащее пение себе под нос во время прогулки, дребезжащие от проезжающего трамвая окна в доме, вой ветра за окном? Лишь одно явление, которое легло в основу всего названного – акустический резонанс. Это явление является видом резонанса и сопровождает нас в жизни на каждом шагу.

На это великое явление впервые обратил внимание Галилео Галилей. Оно было описано им в 1602 году в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.

Я учусь в музыкальной школе, мой мир наполнен звуками. Дома у меня несколько музыкальных инструментов: гитара, варган, флейта, синтезатор. А в музыкальной школе в классах по соседству раздаются звуки балалайки, аккордеона саксофона и гитары. Я давно задавался вопросом: как устроены все эти инструменты, почему они созвучны человеку. Разбираясь с этими вопросами, я невольно анализировал явление под названием «акустический резонанс».

Итак, объектом исследования является акустический резонанс.

Цель работы: теоретическое определение и опытное подтверждение явления резонанса.

Поставленная цель для своего разрешения определила следующие задачи:

Образовательно-теоретическая: расширить, обобщить  полученные на уроке физики знания  и  представления о физических законах и явлениях.

Практическая: экспериментальным путем доказать действие резонанса.

Общественно-полезная: продемонстрировать эксперименты и доказать наличие явления резонанса.

Методы исследования, использованные при работе над темой:

накопительно-статистический (формирование знаний, накопление необходимой информации), аналитический (анализ накопленной информации), сравнительно-экспериментальный (доказательство наличия резонанса, на практике путем  разработки эксперимента и демонстрации опыта).

Гипотеза:

Человек, хочет он того или нет, никогда не существует сам по себе, никогда не пребывает в изоляции. Человек непрерывно взаимодействует с широчайшим спектром всевозможных существ и явлений, которые воздействуют на него. И одним из самых распространенных явлений, которые необходимо учитывать человеку в его деятельности – явление резонанса.

Практическая значимость работы:

Данная тема изучается в курсе физики 9 класса( раздел « Механические колебания и волны. Звук», учебник для общеобразовательных школ  , авторы: , И. Д. , издательство  «Дрофа» ,2013 г.). Темы учебных занятий и соответствующие им параграфы представлены в таблице.

Тема учебного занятия	Параграф, в котором изложен данный материал.
Распространение колебаний в среде. Волны. Длина волны. Скорость распространения волн.	§ 31-33
Физический диктант. Источники звука. Звуковые колебания. Высота и тембр звука. Громкость звука.	§ 34, 35, 36
Распространение звука. Скорость звука. Отражение звука. Эхо. Звуковой резонанс.	§ 37-40

Этот материал я изучал самостоятельно ( обучаюсь в 8 классе), однако форма изложения материала в учебнике проста и доступна, поэтому каких - либо значительных проблем не возникло.

В моей работе представлены опыты для демонстрации на уроках физики в средней общеобразовательной школе. Их можно демонстрировать как на уроке при изучении явлений (надеюсь, что это поможет сформировать некоторые понятия при изучении физики), так и в качестве домашних заданий учащимся.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. Виды колебаний. Общее понятие резонанса

Для лучшего понимания явления резонанса необходимо дать определение такому понятию как колебания. Это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определённые промежутки времени (например, движение поршня в двигателе, поплавок на волне, ветка дерева на ветру).

“Собственные колебания — это колебания, происходящие в отсутствие внешних воздействий на систему. Они происходят под действием внутренних сил после выведения системы из положения равновесия  со строго определеннойчастотой, называемой частотой собственных колебаний системы. Примерами могут служить груз на пружине, стрелка компаса, звучание колокола, гонга, струны рояля и т. п.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил. Колебания мембраны телефона, иглы швейной машины, поршня в цилиндре автомобильного двигателя, периодическое раскачивание качелей, рессор автомобиля, движущегося по неровной дороге, океанические приливы под действием Луны и др.[1]”

Для начала нужно сказать, что все тела, в каком бы они состоянии не казались, имеют свою изначальную частоту и амплитуду колебаний. Таким образом, любой объект можно рассматривать в виде системы колебательных движений, а воздействующие звуковыеколебания в виде силы воздействия на частоту этой самой колебательной системы. Поэтому полный резонанс, а точнее сказать наибольшее отклонение от состояния равновесия колебательной системы будет возникать тогда и только тогда, когда частота колебаний вынуждающей силы будет совпадать с собственной частотой колебательной системы.

“Итак, резонамнс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.[3]”

Суть явления резонанса: многократное усиление эффекта от воздействия на объект при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта.

1.2. Акустический резонанс

“Под акустическим резонансом понимают явление совпадения частоты колебаний звуковых волн, падающих на акустическую систему, с собственной частотой этой системы.

Вообще, звуковые волны, встречаясь с любым телом, вызывают вынужденные колебания. Если же частота собственных свободных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, то условия для передачи энергии от звуковой волны телу являются наилучшими – тело является акустическим резонатором.[1]”

Амплитуда вынужденных колебаний при этом достигает максимального значения – наблюдается акустический резонанс.

Истории известны случаи, когда стекло разбивалось лишь от силы и частоты человеческого голоса. Это проделывал не только Шаляпин. Великий тенор Энрико Карузо мог заставить стеклянный бокал разлететься вдребезги, спев в полный голос ноту надлежащей высоты. В этом случае звук вызывает вынужденные колебания стенок бокала. При резонансе колебания стенок могут достичь такой амплитуды, что стекло разбивается.

Кстати, интересно, что звуки с частотами 55, 110, 220, 440, 880, 1760, 3520 герц – это звук «ля». Наблюдается зависимость: каждая последующая частота в два раза больше предыдущей.

Корпусы скрипок и гитар, трубы духовых инструментов и органа  являются  резонаторами, а полость рта - резонатором для голосовых связок. Почему же резонатор камертона представляет собой обычный ящик, тогда как корпуса балалайки, виолончели, скрипки и рояли имеют сложные формы? Дело в том, что резонатор камертона должен усиливать только один – основной тон, а корпуса музыкальных инструментов – множество тонов и гармоник. Вид резонатора определяет, какие из обертонов будут усилены, а какие ослаблены или вовсе подавлены.

“От качества дерева, из которого изготовлена гитара, зависит не только сила, но и чистота, и тембр извлекаемого звука. Влияет на это и покраска, и лак на дереве. Именно поэтому изготовить качественную гитару или скрипку совсем не просто, и качественные инструменты стоят больших денег. Так, явление звукового резонанса из физики перекочевало в иные сферы и плотно там обосновалось.[2]”

Акустический резонанс может оказывать на организм человека как благоприятное, так и пагубное воздействие.

“Доктор медицинских наук Сергей Шушарджан, врач со стажем и профессиональный певец, в своих исследованиях о воздействии музыки установил, что даже кожа является проводником звуков в организм. Музыка, имея волновую природу, передается через виброрецепторы в коже, воспринимающие звуковые волны в широком диапазоне. При воздействии на виброрецепторы звуковых волн определенной частоты «запускается» тот или иной механизм реакции организма на воздействие извне.

Ритмы, характерные для большинства органов и систем организма «человека», лежат в инфразвуковом диапазоне. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка - 5-8 Гц, голова - 20-30 Гц. Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц. Сокращения сердца – 1-2 Гц; дельта-, альфа-, бета-ритмы мозга; ритм кишечника - 2-4 Гц; вестибулярного аппарата – около 6 Гц и так далее. Мозговая активность живого человека не прекращается даже во время глубокого сна, и мозг постоянно излучает ритмические волны, характеризующие происходящие в нем процессы.

В дельта-состоянии (д) мозг излучает волны с частотой колебаний от 0 до 4 Гц. Это может быть либо глубокий сон без сновидений, либо состояние глубокого расслабления, бессознательное состояние (такое, как кома), летаргический сон. Даже во сне мозг продолжает обработку информации, накопленной человеком, и не успевшую стать осознанной.

В тэта-состоянии (и) частота колебаний мозга составляет от 4 до 7 Гц. Это глубокое расслабление или медитация; это может быть неглубокий сон. Во время этого ритма возникают особенно яркие видения или интуитивные догадки. Тэта-волны формируют состояния, переходные от спокойного бодрствования к фазам сонливости, предваряющим глубокий сон. Но частоты 5-6 Гц опасны для работы печени и вызывают чувство усталости.

Альфа-состояние (б) — это частота волновых колебаний головного мозга от 7 до 14 Гц. Диапазон частот от 7 до 8 Гц чрезвычайно опасен для здоровья, так как этот тип вибраций способен спровоцировать эпилептические приступы, смертельно поразить внутренние органы и даже реально деформировать их. Длительное воздействие на мозг звука частотой 7 Гц пагубно влияет на сердце, вплоть до его остановки. С 10 до 14 Гц - это колебания, способствующие одновременно и глубокому сосредоточению, и расслаблению; это - покой и душевное равновесие в активном состоянии, мозг способен более продуктивно обрабатывать получаемую информацию. Такое состояние наиболее благоприятно для творческих процессов, принятия более логичных и взвешенных решений.

Ученые считают, что, возможно, именно из-за возбуждения резонансных колебаний (особенно когда частота волны совпадает с альфа-ритмом головного мозга) в биологических системах жизнеобеспечения и возникает такое крайне негативное воздействие инфразвуковых вибраций. Это влияние даже используется полицией в ряде стран мира для разгона толпы и предотвращения беспорядков. Включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5-9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют инфразвуковую частоту и вызывают у большинства людей неприятные зрительные эффекты, необъяснимые страх и тревогу, желание скорее покинуть опасное место.

Иными словами, если частота инфразвуковой волны того же порядка, что и волна вибрации органа, то при очень большой интенсивности они приводят органы к вибрационному резонансу или диссонансу в частотном диапазоне работы органа и способны привести к их дисфункциям. Вибрационный резонанс вызывается мощными внешними генераторами, например, усилителями громкости звука на современной эстраде и рок-концертах.[3]”

Российский исследователь Борис Островский, несколько десятилетий изучающий тайну бермудского треугольника, заинтересовался случаями с «летучими голландцами», рассекающими морские просторы без экипажа, а также судами, на которых всех моряков находили мертвыми, но без признаков насилия

По данным, собранным Борисом Островским, в Атлантике ежегодно происходит до 50 тысяч подводных землетрясений разной силы, а эпицентры их почти всегда сосредоточены вдоль геологического разлома, пересекающего Бермудский треугольник.

При зарождении подводного землетрясения, когда «тряской» охвачены сотни квадратных километров поверхности океана, поперечные звуковые волны передаются через толщу воды. Большинство из них доходит до ионосферы. Если в этот район попадет корабль, он примет часть инфразвуковых волн на себя. Продолжительное воздействие инфразвуковых колебаний делает из корабля резонатор, который в несколько раз повышает интенсивность звуковых волн и передает их подобно динамику. «Люди, находящиеся на судне, буквально сходят с ума от этого воздействия и ищут любые пути, чтобы избавиться от невыносимого и необъяснимого воздействия», — считает исследователь. Немудрено, что экипажи «летучих голландцев» полностью исчезали — люди просто прыгали за борт, спасаясь от сводящего с ума инфразвука.

Глава 2. Практическая часть

Опыт 1.Нам понадобятся звуковые колонки, соль либо песок и пластиковый поднос. Установив пластиковый поднос на колонки, засыпаем на поднос соль и воспроизводим через колонки звуковые волны, падающие на акустическую систему – поднос с солью.

Рис.4 Эксперимент, подтверждающий явление акустического резонанса

       Как видим, не на всех частотах соль имеет высокую амплитуду колебаний. То есть для полного резонанса, в данном случае акустического, должна быть определенная частота колебаний (опыт 1,видео).

О звуковом резонансе можно узнать из учебника ,  §40, стр. 133-135.

Опыт2.Музыкальный инструмент варган. Относится к самозвучащим язычковым музыкальным инструментам. При игре варган прижимают к зубам или к губам, ротовая полость служит резонатором. Изменение артикуляции рта и дыхания даёт возможность менять амплитуду колебаний, а в результате - тембр инструмента. Продемонстрируем этот уникальный инструмент ( опыт 2, видео).

Данное физическое явление по физике рассматривается  в учебнике (  §40, стр. 134-135).

Рис.5 Варган (алтайский комус)

Если возбудить язычок варгана без резонатора, то звук будет совсем слабый. Когда же мы играем на варгане (зажав его между зубами или хотя бы губами – резонатором является ротовая полость), рождаются мощные вибрации - колебания.

“При игре на нем во рту возникает стоячая звуковая волна. И можно подобрать такое звучание инструмента, которое будет вступать в резонанс с основными ритмами вибраций человека. Это достигается как особенностями изготовления инструмента, так и особенностями игры на нём. В биологии известны так называемые альфа-, бета-, гамма-ритмы, свойственные головному мозгу человека. Звуковая волна, входя в резонанс с этими ритмами, вызывает измененные состояния сознания.[8]”        

С древних времен обертоны использовались в молитвенных песнопениях и целительских практиках, известных нам, в основном, по тибетской и тувинской традициям.

Опыт 3. Звук, издаваемый самой гитарной струной не слишком громкий. Для того чтобы усилить этот звук, струны располагают поверх корпуса, который делают специальной формы и размера. В середине корпуса обязательно имеется отверстие круглой формы для выхода звука. Звук струны, попадая внутрь корпуса, резонирует и усиливается, отчего гитара звучит намного громче ( опыт 3, видео).

Данное физическое явление по физике рассматривается  в учебнике ( §35, стр. 125 и §40, стр. 134).

Настройка гитары - это также пример явления звукового резонанса. Если настроить первую струну по камертону, а потом зажать вторую струну на определенном ладу (определенная нота) и дернуть ее, то можно увидеть, как первая струна слегка поддергивается (при условии, что гитара настроена правильно).

Заключение

       

       В ходе подготовки к конкурсу  я:

изучил теоретический материал по  выбранной мною теме; подготовил опыты, выявляющие и демонстрирующие явление акустического и иных видов резонанса; выяснил механизм явления акустического резонанса.

Выводы

       Итак, резонанс – это очень эффективный инструмент для решения многих практических задач, но одновременно он может быть причиной серьёзных разрушений, вреда здоровью и других негативных последствий.

Явление резонанса мы используем в различных устройствах, использующих радиоволны, таких как телевизоры, радиоприемники, мобильные телефоны и так далее. Оно используется в музыкальных инструментах. Но вместе с тем, несмотря на все преимущества, которые можно получить при помощи резонанса, не следует забывать и об опасности, которую он способен принести. Землетрясения или сейсмические волны, а также работа сильно вибрирующих технических устройств могут вызвать, например, разрушения части зданий или даже зданий целиком.

Акустический резонанс мне был наиболее интересен в процессе игры на музыкальных инструментах.

       Надеюсь, что собранный мною материал и опыты будут интересны моим друзьям и одноклассникам и помогут лучше разобраться в законах физики, применимых к нашей повседневной жизни.

       Я же буду намерен продолжать свои изыскания по поводу резонансных явлений, особенно – связанных с музыкой.

Список литературы

, И. Д.  « Физика», 9 класс «Дрофа» ,2013 г. Воронкин в физику звука. Лекция №3: Явление резонанса. Интерференция и дифракция  www. /AlexVoronkin/3-10848108 Звуковой резонанс и интерференция звука www. nado5.ru/e-book/zvukovoi-rezonans-interferenciya-zvuka www. ayfaarpesni. org ru. wikipedia. org/wiki/Резонанс studopedia. ru Краткий справочник школьника 5-11 классы  М.: Олма-пресс, 2008. С.295. www. manwb. ru/articles/science/natural_science/Resonans_NatAdnoral/ Шаманские штучки. Варган www. philharmonic. tomsk. ru www. fas. harvard. edu