Сувениры в виде чайной коробки, "рояля", шкатулки или др. " игрушек" имеют механическую музыкальную шарманку. Эти сувениры при поворотах ручки шарманки издают музыкальную мелодию. Принцип таков: "язычки" касаются выступов на металлическом барабане. Каждый выступ образует колебания и отвечает за определенную ноту, за звук определённой частоты.
С таких шарманок начиналась инженерная разработка - механическая звукозапись. Предупредим- мы обсуждаем только механические колебания.
В 1877 году американский учёный Томас Эдисон изобрел звукозаписывающий аппарат - фонограф, впервые позволивший записать звук человеческого голоса.
В первом фонографе металлический валик вращался с помощью рукоятки, с каждым оборотом перемещаясь по спирали.
На валик накладывалась оловянная фольга. К ней прикасалась стальная игла, связанная с мембраной. К мембране был прикреплен металлический конусный рупор. Игла вдавливалась в олово в соответствии с воспринимаемым звуком, создавая канавку переменной глубины. Если игла проходила это канавку заново, то издавался звук.
Но, почему мы слышим громкий звук от сувенирной шарманки ?
Рассуждение приведем качественное ( без математики).
Толкнем качели. Свободные колебания прекратятся со временем при внешнем сопротивлении, трении. Свободные колебания для разных тел имеют свою частоту, только свою.
Если раскачивать качели с постоянной частотой (вынужденные колебания), то мы руками подводим энергию. И при этом замечаем, что при определённой частоте рук, раскачивать качели становится легче. Восполняются потери энергии из- за сил трения. Наступает момент резонанса. Резонанс - это явление, при котором происходит совпадение частоты внешних колебаний с собственной частотой колебательной системы - качелей. Такая частота - резонансная.
Теперь о звуке. Звуковые волны - это колебания плотности воздуха, распространяющиеся в пространстве. Они оказывают давление на корпус музыкального инструмента, передают корпусу колебания.
За громкость звука отвечает амплитуда колебаний. При резонансе амплитуда максимальна, и усиливается громкость. Возникновение резонанса можно проследить и в ванной комнате. Если вы будете негромко петь звуки разной частоты, то на одной из частот возникнет резонанс. Вернемся к качелям.
Нарушается ли при резонансе закон сохранения энергии?
При колебании маятника сумма кинетической и потенциальной энергии сохраняется. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, и наоборот. Но (!) при отсутствии силы трения. Такие колебания называются гармоническими. В природе силу трения не отменить.
Потерянная энергия из - за силы трения восполняется толчками рук.
Посмотрим зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силы на графике:
Где: А- амплитуда, w- частота силы, в- коэффициент трения(затухания). Видно, что чем больше сила трения, тем меньше амплитуда при резонансной частоте. При этом часть энергии тратится на преодоление сопротивления. Теория говорит о том, что, если бы не было трения, то амплитуда была бы бесконечно большой( трудно представить!).
Посмотрим на шарманку в видео:
Сравним качели и чайную коробку. В чайной коробке с шарманкой: вынуждающая сила - колебания воздуха, возникающие при вращении ручки шарманки. Чайная коробка называется резонатором. Кстати, резонатором гитары, балалайки, рояля и др. являются деревянные корпуса.
Тела обычно имеют несколько собственных частот колебаний и соответственно несколько резонансных частот. Амплитуда качелей пропорциональна амплитуде колебаний внешней силы. Это понятно: чем больше энергии приложишь, тем больше будет размах. Но, только при резонансной частоте не надо применять очень большую энергию. Энергия нужна только для восстановления потерянной энергии из- за силы трения. При этом амплитуда максимальна с применением небольших усилий. В любом случае сумма потенциальной и кинетической энергии сохраняется, если к этой сумме добавить потерю энергии при сопротивлении. Если мы толкаем качели слабыми толчками, то вся потраченная энергия может "уйти" на преодоление силы трения. Но при резонансе в среде с большим трением амплитуда не велика.
Вредное действие резонанса в механике связано с разрушением, которое он может вызвать. Почему солдаты не ходят строевым шагом по мосту? От резонанса разрушился Египетский мост в Санкт-Петербурге. В 1905 году по нему прошлась кавалерия. А в 1940 г году обрушился мост Тэйкома в США от автоколебаний, вызванных ветром. А как резонанс действует на человека?
Резонансные явления при действии внешних механических колебаний почти не влияют на человека . Но установлено, что
отрицательно воздействуют инфразвуковые колебания на организм человека.
Итак:
Закон сохранения энергии выполняется всегда и везде.
Максимальная амплитуда или громкий звук в шарманке с корпусом из - за явления резонанса. Без корпуса нет резонанса.
Для повторения характеристик колебаний в видео: