تشدید کننده
توضیح اولیه
در اینجا میله های چوبی با طولهای متفاوت که به همه آن ها وزنه های برابری متصل شده اند، در فرکانس های مشخص نوسان داده می شوند. زمانی که این فرکانس برابر فرکانس تشدید میله های چوبی شود، میله با دامنه ای بسیار بزرگ شروع به نوسان می کند. این بدان معنا است که اگر شما جسمی را در فرکانس نزدیک به فرکانس طبیعی جسم نوسان دهید، حرکت نوسانی آن به آرامی تا مقادیری بزرگ افزایش می یابد، این پدیده را می توان در جریان فروپاشی پل درهی تا کوما در جریان باد وخرابی های ناشی از زلزله مشاهده کرد.
اهداف
- درک پدیده ی تشدید با استفاده از یک آزمایش.
مواد و ابزار مورد نیاز:
- میله های چوبی به قطر 6 میلی متر به طول های 45 و60 و 75سانتی متر
- یک میله چوبی به قطر 10 سانتی متر به طول 60 سانتی متر.
- 4 توپ سنگین مانند توپ تنیس یا توپ بیلیارد
- یک تکه چوب 5×10سانتی متر به طول حدود 40 سانتی متر .
- یک مته (دریل)
- چسب چوب
در ابتدا دانش آموزان به کمک معلم باید وسیله یآزمایش را بسازند به این منظور مراحل کار را به روش زیر به آن ها توضیح دهید:
به فاصله حدود 8 سانتی متر روی خط مرکزی تکه چوب بزرگ 4 سوراخ ایجاد کنید. سه سوراخ اول را با مته ای کوچکتر از 6 میلی متر، و سوراخ چهارم را با مته ای کوچک تر از میلی متر ایجاد کنید. میله های چوبی را به آرامی و به کمک چکش درون سوراخ ها محکم کنید.
اگر دوست دارید می توانید سوراخ ها را دقیقاً به اندازه قطر چوب ها ایجاد کنید و میله ها را با چسب در جای خود محکم کنید. سوراخ هایی به قطر 6 میلی متر در سه توپ سنگین و سوراخی به قطر 10 میلی متر در توپ چهارم ایجاد کنید. برای اینکه این کار راحت انجام دهید می توانید گلوله های سوراخ شده را در انتهای چوب ها سفت کنید. این عمل باعث اضافه شدن وزن زیادی به هر چوب می شود.
این تجربه را بدون اضافه کردن این توپ های سنگین نیز می توان انجام داد. اما اضافه کردن این وزنه ها فرکانس تشدید میله ها را کاهش داده و نوسان چوب ها را راحت تر می توان دید. هم چنین می توانید از یک تکه گلوله گلی یا یک توپ تنیس به جای توپ سنگین استفاده کنید. اما به یاد داشته باشید تا زمانی که داخل توپ تنیس خالی است، به نظرمی رسد توپ می خواهد از روی چوب پایین بیفتد.
انجام آزمایش:
از دانش آموزان بخواهید تکه چوب 5×10 سانتی متری را از دو انتهایش بگیرند و آن را به عقب و جلو تکان دهند، به آن ها بگویید برای این کار این تکه چوب را روی یک میز بگذارند و آن را در جهت طولش (10 سانتی متر) به عقب و جلو ببرند اگر آن ها شرایط عقب و جلو بردن تکه چوب را تغییر دهند، میله های چوبی متفاوت شروع به نوسان می کنند و دامنه نوسان آن ها نیزکم یا زیاد می شود. و اگر شما تکه چوب را با فرکانس خاصی تکان دهند خواهند دید که یکی از میله ها با دامنه زیادی نوسان می کند اما میله ی دیگر به سختی و با دامنه ای بسیار کوچک نوسان می کند.
دانش آموزان باید دقت کنند کدام میله در فرکانس های پایین و کدام میله در فرکانس های بالاتر نوسان با دامنه بالا دارد.
توجه: اگر مراقب نباشید و دامنه نوسان چوب ها زیاد شود اتفاق خیلی بدی رخ خواهد داد. میله های چوبی می شکنند!
چه اتفاقی می افتد؟
اکنون می توانید به صورت زیر به دانش آموزانتان بگویید که چه اتفاقی افتاده است:
زمانی که یک نفر را روی تاب تکان می دهید، فشارهای کوچک باعث می شود تا فرد در دامنه ای بزرگ نوسان می کند. برای همین منظور، شما زمان بندی فشارهای خود را به شکلی تنظیم می کنید که با فرکانس طبیعی تاب یکسان باشد، اثری مشابه همین تاب بازی در میله های چوبی رخ می دهد.
زمانی که شما تکه بزرگ چوب را تکان می دهید، یک مجموعه از ضربه های کوچک روی هم جمع شده و باعث می شود تا یک میله چوبی خاص در دامنه ای بزرگ نوسان کند. هر بار تکه بزرگ چوب را تکان می دهید میله ها شروع به نوسان می کند. اگر تکان بعدی تکه چوب درست در زمانی وارد شود که متناسب با نوسان یک میله چوبی خاص باشد، این نوسان را قوی تر می کند و دامنه آن افزایش می یابد.
این پدیده را تشدید می نامند. میله های چوبی بلندتر، آرام تر نوسان می کنند و فرکانس کمتری دارند. همین نکته باعث می شود تا میله های چوبی بلند در فرکانس های پایین تر اثر تشدید را نشان دهند.
میله های چوبی ضخیم تر فرکانس تشدید بالاتری دارند. میله چوبی به قطر 10mm به مراتب ضخیم تر از میله چوبی به قطر 6mm است، پس در فرکانس بالاتری نسبت به میله چوبی نازک تر نوسان می کند.
یک نکته مهم : هر میله چوبی ممکن است بیش از یک فرکانس تشدید طبیعی داشته باشد.
توسعه
با توجه به این که میله های چوبی فرکانس های طبیعی دارند که تنها در این فرکانس ها تشدید ظاهر می شود، پس خیلی از اجسام باید در فرکانس های خاصی شروع به نوسان کنند (نوسانشان احساس شود.)
در ادامه می توانید مثال هایی از زندگی روزمره برای آن ها بزنید از جمله این که:
ممکن است این نکته را به خاطر بیاورید که بعضی از قسمت های خودروی شما در سرعت های خاصی شروع به تلق تولق می کند یا اینکه وسایل توی اتاقتان در مقابل پخش آهنگ های خاصی از استریو منزلتان شروع به لغزش کنند، این ها اثرات روزمره تشدید است.
تشدید علاوه بر این آثار کوچک، اثرات تخریبی هولناکی نیز دارد. در زمین لرزه، ساختمان ها وقتی صدمه می بینند که فرکانس نوسان زمین با فرکانس طبیعی ساختمان یکسان باشد یا اینکه تا حد خوبی به یک دیگر نزدیک باشد.
پل تاکوما زمانی از هم پاشید که تحریک باد قوی با فرکانس خاص به پل نیرو وارد کرد.
پیاده رو معلق هتل شهری نواس زمانی فرو ریخت که مردم با ضرباتی منظم در حین رقص آن را لرزاندند. در ارتش، سربازان در گام های نامنظم بروی پل ها رژه می روند و تجهیزات نظامی سنگین در هنگام عبور از روی پل فواصلی نامنظم را انتخاب می کنند تا اثر تشدید باعث تخریب پل نشود. تمام اجسام فرکانس تشدید ندارند. اجسامی که اتلاف انرژی زیادی داشته باشند، هیچگاه دچار تشدید نمی شوند. برای مثال سعی کنید یک میله را درزیر آب تکان دهید، انرژی ای که در اثر اصطکاک آب اتلاف می شود، بیشتر از انرژی ای است که شما می توانید به میله منتقل کنید. پس میله در هیچ فرکانسی نوسان نمی کند.
مترج: آرش وساقی
تنظیم: نسرین صادقی
