تشديد کننده

توضيح اوليه

در اينجا ميله هاي چوبي با طولهاي متفاوت که به همه آن ها وزنه هاي برابري متصل شده اند، در فرکانس هاي مشخص نوسان داده مي شوند. زماني که اين فرکانس برابر فرکانس تشديد ميله هاي چوبي شود، ميله با دامنه اي بسيار بزرگ شروع به نوسان مي کند. اين بدان معنا است که اگر شما جسمي را در فرکانس نزديک به فرکانس طبيعي جسم نوسان دهيد، حرکت نوساني آن به آرامي تا مقاديري بزرگ افزايش مي يابد، اين پديده را مي توان در جريان فروپاشي پل درهي تا کوما در جريان باد وخرابي هاي ناشي از زلزله مشاهده کرد.

اهداف

درک پديده ي تشديد با استفاده از يک آزمايش.

مواد و ابزار مورد نياز:

ميله هاي چوبي به قطر 6 ميلي متر به طول هاي 45 و60 و 75سانتي متر
يک ميله چوبي به قطر 10 سانتي متر به طول 60 سانتي متر.
4 توپ سنگين مانند توپ تنيس يا توپ بيليارد
يک تکه چوب 5×10سانتي متر به طول حدود 40 سانتي متر .
يک مته (دريل)
چسب چوب

در ابتدا دانش آموزان به کمک معلم بايد وسيله يآزمايش را بسازند به اين منظور مراحل کار را به روش زير به آن ها توضيح دهيد:

به فاصله حدود 8 سانتي متر روي خط مرکزي تکه چوب بزرگ 4 سوراخ ايجاد کنيد. سه سوراخ اول را با مته اي کوچکتر از 6 ميلي متر، و سوراخ چهارم را با مته اي کوچک تر از ميلي متر ايجاد کنيد. ميله هاي چوبي را به آرامي و به کمک چکش درون سوراخ ها محکم کنيد.

اگر دوست داريد مي توانيد سوراخ ها را دقيقاً به اندازه قطر چوب ها ايجاد کنيد و ميله ها را با چسب در جاي خود محکم کنيد. سوراخ هايي به قطر 6 ميلي متر در سه توپ سنگين و سوراخي به قطر 10 ميلي متر در توپ چهارم ايجاد کنيد. براي اينکه اين کار راحت انجام دهيد مي توانيد گلوله هاي سوراخ شده را در انتهاي چوب ها سفت کنيد. اين عمل باعث اضافه شدن وزن زيادي به هر چوب مي شود.

اين تجربه را بدون اضافه کردن اين توپ هاي سنگين نيز مي توان انجام داد. اما اضافه کردن اين وزنه ها فرکانس تشديد ميله ها را کاهش داده و نوسان چوب ها را راحت تر مي توان ديد. هم چنين مي توانيد از يک تکه گلوله گلي يا يک توپ تنيس به جاي توپ سنگين استفاده کنيد. اما به ياد داشته باشيد تا زماني که داخل توپ تنيس خالي است، به نظرمي رسد توپ مي خواهد از روي چوب پايين بيفتد.

انجام آزمايش:

از دانش آموزان بخواهيد تکه چوب 5×10 سانتي متري را از دو انتهايش بگيرند و آن را به عقب و جلو تکان دهند، به آن ها بگوييد براي اين کار اين تکه چوب را روي يک ميز بگذارند و آن را در جهت طولش (10 سانتي متر) به عقب و جلو ببرند اگر آن ها شرايط عقب و جلو بردن تکه چوب را تغيير دهند، ميله هاي چوبي متفاوت شروع به نوسان مي کنند و دامنه نوسان آن ها نيزکم يا زياد مي شود. و اگر شما تکه چوب را با فرکانس خاصي تکان دهند خواهند ديد که يکي از ميله ها با دامنه زيادي نوسان مي کند اما ميله ي ديگر به سختي و با دامنه اي بسيار کوچک نوسان مي کند.

دانش آموزان بايد دقت کنند کدام ميله در فرکانس هاي پايين و کدام ميله در فرکانس هاي بالاتر نوسان با دامنه بالا دارد.

توجه: اگر مراقب نباشيد و دامنه نوسان چوب ها زياد شود اتفاق خيلي بدي رخ خواهد داد. ميله هاي چوبي مي شکنند!

چه اتفاقي مي افتد؟

اکنون مي توانيد به صورت زير به دانش آموزانتان بگوييد که چه اتفاقي افتاده است:

زماني که يک نفر را روي تاب تکان مي دهيد، فشارهاي کوچک باعث مي شود تا فرد در دامنه اي بزرگ نوسان مي کند. براي همين منظور، شما زمان بندي فشارهاي خود را به شکلي تنظيم مي کنيد که با فرکانس طبيعي تاب يکسان باشد، اثري مشابه همين تاب بازي در ميله هاي چوبي رخ مي دهد.

زماني که شما تکه بزرگ چوب را تکان مي دهيد، يک مجموعه از ضربه هاي کوچک روي هم جمع شده و باعث مي شود تا يک ميله چوبي خاص در دامنه اي بزرگ نوسان کند. هر بار تکه بزرگ چوب را تکان مي دهيد ميله ها شروع به نوسان مي کند. اگر تکان بعدي تکه چوب درست در زماني وارد شود که متناسب با نوسان يک ميله چوبي خاص باشد، اين نوسان را قوي تر مي کند و دامنه آن افزايش مي يابد.

اين پديده را تشديد مي نامند. ميله هاي چوبي بلندتر، آرام تر نوسان مي کنند و فرکانس کمتري دارند. همين نکته باعث مي شود تا ميله هاي چوبي بلند در فرکانس هاي پايين تر اثر تشديد را نشان دهند.

ميله هاي چوبي ضخيم تر فرکانس تشديد بالاتري دارند. ميله چوبي به قطر 10mm به مراتب ضخيم تر از ميله چوبي به قطر 6mm است، پس در فرکانس بالاتري نسبت به ميله چوبي نازک تر نوسان مي کند.

يک نکته مهم : هر ميله چوبي ممکن است بيش از يک فرکانس تشديد طبيعي داشته باشد.

توسعه

با توجه به اين که ميله هاي چوبي فرکانس هاي طبيعي دارند که تنها در اين فرکانس ها تشديد ظاهر مي شود، پس خيلي از اجسام بايد در فرکانس هاي خاصي شروع به نوسان کنند (نوسانشان احساس شود.)

در ادامه مي توانيد مثال هايي از زندگي روزمره براي آن ها بزنيد از جمله اين که:

ممکن است اين نکته را به خاطر بياوريد که بعضي از قسمت هاي خودروي شما در سرعت هاي خاصي شروع به تلق تولق مي کند يا اينکه وسايل توي اتاقتان در مقابل پخش آهنگ هاي خاصي از استريو منزلتان شروع به لغزش کنند، اين ها اثرات روزمره تشديد است.

تشديد علاوه بر اين آثار کوچک، اثرات تخريبي هولناکي نيز دارد. در زمين لرزه، ساختمان ها وقتي صدمه مي بينند که فرکانس نوسان زمين با فرکانس طبيعي ساختمان يکسان باشد يا اينکه تا حد خوبي به يک ديگر نزديک باشد.

پل تاکوما زماني از هم پاشيد که تحريک باد قوي با فرکانس خاص به پل نيرو وارد کرد.

پياده رو معلق هتل شهري نواس زماني فرو ريخت که مردم با ضرباتي منظم در حين رقص آن را لرزاندند. در ارتش، سربازان در گام هاي نامنظم بروي پل ها رژه مي روند و تجهيزات نظامي سنگين در هنگام عبور از روي پل فواصلي نامنظم را انتخاب مي کنند تا اثر تشديد باعث تخريب پل نشود. تمام اجسام فرکانس تشديد ندارند. اجسامي که اتلاف انرژي زيادي داشته باشند، هيچگاه دچار تشديد نمي شوند. براي مثال سعي کنيد يک ميله را درزير آب تکان دهيد، انرژي اي که در اثر اصطکاک آب اتلاف مي شود، بيشتر از انرژي اي است که شما مي توانيد به ميله منتقل کنيد. پس ميله در هيچ فرکانسي نوسان نمي کند.