Содержание проекта:
Глава 1. Введение
1.1 Актуальность темы
1.2 Цели и задачи проекта
Глава 2. История колебаний
2.1 Механические колебания - что это за явление?
2.2 Когда и кем был открыт данный феномен?
Глава 3. Сферы использования механических колебаний в повседневной жизни
3.1В каких профессиях применяется данный феномен
3.29 самых ярких изобретений основанных на данном феномене
Глава 4. Заключение
4.1 Подведение итогов
Глава 1. Введение
1.1 Актуальность темы
Колебания - один из самых распространенных процессов в природе и технике. Колеблются высотные здания, высоковольтные провода под действием ветра, маятник заведенных часов, автомобиль на рессорах во время движения; года, температура человеческого тела при болезни, звук, радиоволны , видимый свет ,землетрясения, приливы и отливы, изменение уровня морей и океанов, биение пульса,смена бодрствования и сна, труда и отдыха, зимы и лета и т.д. Колебания – это те процессы, которые приближенно повторяются через равные промежутки времени.
В физике особо выделяются колебания двух видов – механические и электромагнитные, а также их электромеханические комбинации. Это обусловлено той исключительной ролью, которую играют гравитационные и электромагнитные взаимодействия в масштабах, характерных для жизнедеятельности человека. Все они имеют между собой много общего и поэтому описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Специальный раздел физики - теория колебаний - занимается изучением закономерностей этих явлений. Знать их необходимо -судо- и -самолето- строителям, специалистам промышленности и транспорта, создателям радиотехнической и акустической аппаратуры.
1.2 Цели и задачи проекта
Цель проекта: Показать значение механических колебаний в природе и жизни человека
Для решения цели проекта ставим следующие задачи:
1. Проанализировать материал по данной теме.
2.Рассмотреть примеры применения феномена механических колебаний на
протяжении всего времени.
Глава 2. История колебаний
2.1 Механические колебания – что это за явление?
Механическими колебаниями – называют движения тел, повторяющиеся точно через одинаковые промежутки времени. Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине или математический маятник. Для существования в системе гармонических колебаний необходимо, чтобы у нее было положение устойчивого равновесия, то есть такое положение, при выведении из которого на систему начала бы действовать возвращающая сила.
Виды механических колебаний:
- Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями.
Условия возникновения свободных колебаний:
- При выведении тела из положения равновесия должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия.
- Силы трения в системе должны быть достаточно малы. При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.
Первый вид свободных колебаний: Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити. Колебания вдоль вертикальной (рисунок 1) или горизонтальной (рисунок 2) оси.
Второй вид свободных колебаний: Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль пружины.
2. Вынужденные колебания - это колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил.
Вынужденные колебания, происходящие под действием гармонически изменяющейся внешней силы, тоже являются гармоническими и незатухающими. Их частота равна частоте внешней силы и называется частотой вынужденных колебаний.
Простейшие механические механические колебания
Гармонические колебания – простейшие периодические колебания, при которых координата тела меняется по закону синуса или косинуса:
- Если в начальный момент времени тело проходит положение равновесия, то колебания являются синусоидальными. (рисунок 1)
- Если в начальный момент времени смещение тела совпадает с максимальным отклонением от положения равновесия, то колебания являются косинусоидальными. (рисунок 2). Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T. Если же количество колебаний N, а их время t. (Рисунок 3). Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний. (Рисунок 4)
Частота колебаний ν показывает, сколько колебаний совершается за 1 с. Единица частоты – Герц (Гц). Частота колебаний связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:
Резонанс — резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний системы, когда частота внешнего воздействия на колебательную систему приближается к какой-либо из частот ее собственных колебаний. В практике эксплуатации мостов имели случаи их разрушения по причине «вхождения в резонанс».
А ещё, одна из теорий загадок Бермудского треугольника – это то, что существуют области, где инфразвуковые колебания достигают большой силы. В результате все загадочные явления и происходят именно в этой аномальной зоне. Инфразвук может быть настолько сильным, что заставляет мачты кораблей входить в резонанс, заставляя их ломаться. Инфразвук также может воздействовать на конструктивные элементы самолета. Бури и ветры — лишь одна из причин возникновения низкочастотного звука. Вторая — это внутриземное движение материи. Прохождение мантийного вещества по тонким каналам (так называемые «мантийные струи») вызывает неслышимый, но разрушительный для всего живого низкочастотный звук. Что гораздо опаснее.
Эта гипотеза, если она верна, во многом проясняет загадочные исчезновения в Бермудском треугольнике. В зависимости от силы инфразвуковых колебаний люди, плывущие на корабле, могли испытывать различные степени необъяснимого страха. И в зависимости от этого они могли совершать различные действия. Например, весь экипаж мог совершить массовое самоубийство, то есть броситься за борт. Кроме того, люди могли покинуть корабль в спасательных шлюпках. А брошенные корабли бороздили потом воды океана без единого члена экипажа на борту, наводя ужас на встречные корабли.
Науке известно, что при колебаниях в 6 Герц человек начинает испытывать безотчетный страх, чувство тревоги; при колебаниях в 7 Герц может наступить паралич сердца и нервной системы. И чем выше амплитуда колебаний, тем страшнее могут быть последствия.
2.2 Когда и кем был открыт данный феномен? (Механических колебаний)
Первыми учеными, изучавшими колебания, были Галилео Галилей (1564-1642г.) и Христиан Гюйгенс (1629-1692г.).Галилей установил изохронизм (независимость периода от амплитуды) малых колебаний, наблюдая за раскачиванием люстры в соборе и отмеряя время по ударам пульса на руке. Он стал первым кто создал теорию механических колебаний, которая гласит, что механические колебания – то повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
Гюйгенс изобрел первые часы с маятником (1657г.) и во втором издании своей монографии «Маятниковые часы» (1673г.) исследовал ряд проблем, связанных с движением маятника, в частности нашел центр качания физического маятника.
Исследование Колебаний маятника, предпринятое итальянским учёным Галилео Галилеем, а затем голландским учёным Христиан Гюйгенс, сыграло важнейшую роль в возникновении классической механики. Изучение в конце XIX в. электромагнитных колебаний английским физиком Уильям Томсон(лордом Кельвином) имело большое значение. для понимания электромагнитных явлений. Много важных сведений и результатов по теории колебаний содержится в трудах английского физика Джона Уильяма Стретта(лорда Дж. Рэлея).
Русские учёные также внесли незаменимый вклад в изучении колебаний. Изобретение радио,Александром Степановичем Поповым (1895г.) явилось важнейшим техническим применением электромагнитных колебаний.
Пётр Николаевич Лебедев посвятил ряд выдающихся исследований получению электромагнитных колебаний очень высокой частоты, ультразвуковым колебаниям и поведению вещества под действием быстропеременных электрических полей. Алексею Николаевичу Крылову принадлежат фундаментальные исследования по теории качки корабля. Большое значение в области изучения колебаний, в частности нелинейных колебаний, имели работы советских ученых Л. И. Мандельштама, Н.Д.Папалекси, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, А. А. Андронова и др.
Работы А. Н. Колмогорова и А. Я. Хинчина содержат математическую основу теории случайных процессов в колебательных системах, получившей важное практическое значение. Но не смотря на то, что учение колебательного процесса началось только с XVI века, его применение берёт своё начало задолго до н.э.Качели - яркий пример вынужденных колебаний. Они были в большой моде в Афинах.Согласно древнегреческой мифологии, качели появились после гибели Икария и Эригоны.
Глава 3. Сферы использования механических колебаний в повседневной жизни
3.1 В каких профессиях применяется данный феномен
Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. Любое равномерное вращение является повторяющимся движением: при каждом обороте всякая точка равномерно вращающегося тела проходит те же положения, что и при предыдущем обороте, причем в такой же последовательности и с такой же скоростью.
Строительство. Более 20 лет назад вибрирование стали применять при изготовлении бетонной смеси. Это дало возможность облегчить труд укладчиков, повысить производительность труда, уменьшить стоимость бетона и улучшить его качество.Вибратором называют механизм, совершающий частые колебания, которые сообщаются частицам бетонной смеси, и под их влиянием частицы колеблются так, что центр колебаний непрерывно смещается в направлении большего уплотнения. Подвижная бетонная смесь затекает вовсе углы формы и хорошо ее заполняет.
Использование вибрации при литье. Для получения чугунного литья высокого качества иногда бывает целесообразно применять вибрирование расплавленного чугуна с целью удаления вредных газов и шлака. Ковш с расплавленным чугуном помещают на специальную виброплатформу, приводимую в колебательное движение с помощью вибраторов.Вибрация ковша, а следовательно, и находящегося в нем жидкого чугуна способствует выделению имеющихся в чугуне газов, а также всплытию более легких веществ, представляющих собой шлаковые включения, которые затем могут быть удалены с поверхности ковша. Отлитые детали из очищенного таким образом чугуна получаются более высокого качества, как с точки зрения меньшего ослабления пузырями, так и с точки зрения уменьшения шлаковых включений, которые ухудшают качество чугунного литья.
Использование колебаний для сортировки сыпучих материалов.В ряде отраслей техники находят широкое применение сортировочные машины и устройства, основанные на использовании колебательных движений. Таковы молотилки, веялки и другие сельскохозяйственные машины, применяемые для сортировки зерна. Сита веялок и молотилок, на которые попадает зерно, подлежащее сортировке, совершают вынужденные боковые или продольные колебания, обеспечивающие возвратно-поступательное движение зерна по рабочей поверхности сита и вследствие этого сортировку зерна. Эти колебания, как правило, вызываются действием кривошипно-шатунных механизмов.
Аналогичное использование колебательных процессов распространено в угольной промышленности на обогатительных фабриках, где применяются специальные машины-грохоты, основное назначение которых заключается в обезвоживании каменных углей, в подготовительном грохочении, т.е. в разделении угля на классы перед обогащением, в сортировке для получения товарных сортов и др. Подобный механизм можно использовать даже в сказках, например: «Золушка», когда мачеха заставила ее перебирать горох и пшено. Вот тут то и мог помочь такой механизм.
А также, явление механических колебаний используется при изготовлении механизмов и устройств: Велосипеды, мотоциклы, автомобили, моторы, двигатели, в звукозаписи и воспроизведении, радио- и теле- вещание, спутниковая и сотовая связь, медицина (рентген, ультрафиолетовое излучение и.т.д),музыкальные инструменты, при различных тренировках, судо- и самолёто- строении и много другое.
3.2 9 самых ярких изобретений основанных на данном феномене
1) Шнeкoвoемый винт Архимед Сиракузский
(287 — 212 до н. э.)
Известно, что Архимед активно стремился совершенствовать и автоматизировать различные задачи. Одной из самых известных проблем, которую он решил, была проблема подъёма воды в оросительных системах. Он нашёл решение с помощью инновационного изобретения — специального шнекового винта.
2) Эолипил Герон Александрийский(10 — 75 )
Герон также опубликовал хорошо известное описание парового устройства, которое называют эолипилом (иногда его называют «двигателем Герона» или «паровой турбиной Герона»).
3) Колечный вал Абу аль-Из ибн Исмаил ибн аль-Раззаз аль-Джазари
(1136-1206)
Аль-Джазари — механик-изобретатель, математик, астроном исламского возрождения государства династии Артукидов. Именно Аль-Джазари изобрёл столь важную механическую деталь как колечный вал.
4) Паровая машина Томас Ньюкомен (1663-1729)
Томас Ньюкомен - английский изобретатель; один из создателей первого теплового (парового) двигателя, известного как паровая машина Ньюкомена. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых осуществил замысел использования пара для получения механической работы.
5) Ткацкий станок Жозеф Мари Жаккар(1752-1834)
Французский изобретатель ткацкого станка для узорчатых материй (известного как машина Жаккарда).
Первую попытку устроить самодействующий ткацкий станок он сделал в 1790 году; потом изобрёл машину для вязания сетей и повёз её в 1804 году в Париж, где модели Вокансона навели его на окончательную конструкцию станка, полностью завершённого только в 1808 году. Изобретение Жаккара является весьма остроумным механизмом по разнообразию и безошибочности своего действия. Принцип машины Жаккара применён во многих аппаратах, например в аристофоне, механическом тапёре, одном из телеграфов Уитстона и тому подобных.
6) Двигатель внутреннего сгорания Этьен Ленуар(1822-1900)
Французский изобретатель бельгийского происхождения, изобретатель двигателя внутреннего сгорания (двигателя Ленуара).
В 1860 году сконструировал первый практически пригодный газовый двигатель внутреннего сгорания. Мощность двигателя составляла 8,8 кВт (12 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель. Двигатель Ленуара — исторически первый серийно выпускавшийся двигатель внутреннего сгорания, запатентованный 24 января 1860 г.
Это был не самый первый двигатель внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобрёл и построил французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz), случилось это в далёком 1807 году. Этот первый поршневой двигатель, так же называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).
7) Двухтактный бензиновый двигатель Карл Бенц(1844-1929)
Немецкий инженер, изобретатель первого в мире автомобиля, пионер в области автомобилестроения. Из его фирмы позже образовался концерн Daimler-Benz AG (ныне Daimler AG). 31 декабря 1878 года он получил патент на двухтактный бензиновый двигатель. Вскоре Карл Бенц запатентовал все важные узлы и системы будущего автомобиля: акселератор, систему зажигания, работающую от батареи и свечу зажигания, карбюратор, сцепление, коробку передач и водяной радиатор охлаждения.
8) Бесколлекторный трехфазный асинхронный двигатель переменного тока, радиосвязь, рентген Никола Тесла(1856 —1943)
Никoлa Тeслa — этo выдaющийся сeрбскo-aмeрикaнский изoбрeтaтeль, бeз кoтoрoгo слoжнo сeбe прeдстaвить эрy элeктричeствa в 20-м вeкe. Oн нe тoлькo был инжeнeрoм, физикoм, кoнстрyктoрoм и мeхaникoм, нo и бoльшим мeчтaтeлeм-фyтyристoм.
Свoё oбрaзoвaниe oн пoлyчил в Aвстрийскoй импeрии, a в 1884 гoдy эмигрирoвaл в СШA, гдe пoлyчил грaждaнствo. Пoслe чeгo oн рaзрaбaтывaeт aсинхрoнный двигaтeль пeрeмeннoгo тoкa, a тaкжe пaтeнтyeт eщё ряд связaнных с пeрeмeнным тoкoм изoбрeтeний, кoтoрыe в итoгe стaнoвятся сeрдцeм пoлифaзнoй систeмы кaмпaнии Вeстингayзa.
Тесла экспeримeнтирyeт с рaзрядными трyбкaми и прoбyeт дeлaть пeрвыe снимки при пoмoщи рeнтгeнa. Oн пeрвым пoстрoил нeбoльшyю лoдкy с бeспрoвoдным yпрaвлeниeм, кoтoрyю прoдeмoнстрирoвaл нa выстaвкe, чeм вызвaл yдивлeниe сoврeмeнникoв, тaк кaк oни нe мoгли пoнять, кaк oнa yпрaвляeтся.
Позже в честь Теслы назовут единицу для измерения индукции в магнитном поле.
В 1891 году на публичной лекции Тесла описал и продемонстрировал принципы радиосвязи. В 1893 году учёный вплотную занялся вопросами беспроволочной связи и изобрёл мачтовую антенну.
9) Турбореактивный двигатель Фрэнк Уиттл(1906-1996)
Английский инженер-конструктор. Отец турбореактивного авиационного двигателя.
16 января 1930 года Фрэнк Уиттл зарегистрировал первый в мире патент Великобритании № 347206 на работоспособный газотурбинный (турбореактивный) двигатель.
По мнению современников, основа успеха машины (двигателя) Уиттла определялась разработкой специальных материалов, способных выдерживать высокие температуры газа на входе в турбину, и большие центробежные усилия.
Глава 4. Заключение
4.1 Подведение итогов
Таким образом, работая над этим проектом, я выяснил, что механические колебания в нашей жизни важны. Колебания занимают не малое место в жизни людей. Весь мир, как неживой, так и живой, непрерывно колеблется, и это качество оказывается общим для всех предметов этого мира. Такая вездесущесть заставляет предположить необычайную важность колебаний в природе. Даже одно это должно заставить многих ученых обратить свое внимание именно на них. И действительно, в химии и физике существуют целые разделы, посвященные колебаниям.
