Б. А. Давыдов.
Познакомившись с сущностью колебательного движения (см. "Радио Всем" №№ 6 и 7), перейдем к изучению одного весьма важного явления из области этих движений. Явление это носит название резонанса колебаний. Постараемся это явление воспроизвести на опытах, из которых некоторые вы сумеете повторить сами. Повесим какой-нибудь груз, например, шарик на длинной нитке, укрепленной в точке A (черт. 1).
Черт. 1.
В положении покоя шарик находится в точке I; если мы выведем его из этого положения и, отведя в положение II, отпустим, — шарик начнет совершать колебания, переходя от точки II через точку I к точке III и обратно.
Пусть период колебаний шарика равен 2 секундам, т.-е., иными словами, он через каждые две секунды, совершив полное колебание, приходит в положение II. Положим теперь, что мы, как только шарик приходит в это положение, сообщаем ему рукой толчок в направлении стрелки на чертеже и, толкнув шарик, отводим руку в положение IV; наша рука совершает, таким образом, колебания между положением II и IV.
Как вы сами можете заметить, проделывая этот опыт, что для того, чтобы шарик получал толчки как раз в тот момент, когда он находится в положении II, наша рука должна колебаться между положением II и IV таким образом, чтобы через каждые две секунды она, совершив полное колебание между положением II и IV, приходила бы в положение II; иными словами, период колебаний нашей руки должен быть равен периоду колебаний шарика, т.-е. двум секундам.
Вот такое-то совпадение периодов двух колебательных движений (в нашем случае колебаний шарика и руки) и называется резонансом этих колебательных движений.
Ближайшим следствием такого резонанса движений руки и шарика является то обстоятельство, что амплитуды (размахи) колебаний шарика будут все одинаковы. Графически колебания шарика мы сможем представить, поступая таким же образом, как это описано в статье "Колебания и волны" ("Радио Всем" № 6), т.-е. откладывая по горизонтальной оси промежутки времени, а по вертикальной — соответствующее положение шарика. В результате мы получим чертеж 2.
Черт. 2.
Как видно из чертежа, амплитуды (размахи шарика) остаются все время равными друг другу (оа = бв = гд). Такого рода колебания, при которых амплитуда все время сохраняет одну и ту же величину, называются незатухающими колебаниями.
Как на пример колебаний такого рода укажем на качания маятника в часах: размахи маятника остаются все время одинаковыми, благодаря тому, что ему сообщаются толчки в такт его качаниям механизмом, приводимым в действие пружиной или гирей (черт. 3).
Черт. 3.
Положим теперь, что шарик в нашем опыте получает толчки не через две секунды, соответствующие его периоду, а через каждые 1¾ сек., иными словами, период колебаний шарика (2 сек.) не равен периоду колебаний нашей руки. В результате такого несовпадения периодов движений руки и шарика явится то, что размахи последнего будут становиться все меньше и меньше и, в конце концов, шарик остановится.
Графически этот случай колебаний шарика представлен на черт. 4.
Черт. 4.
Такого рода колебания с все уменьшающимися размахами называются затухающими. Укажем еще один пример резонанса колебательных движений.
На черт. 5 изображены две стойки, между которыми натянута нить НН с подвешенными к ней также на нитках двумя одинаковыми шариками А и Б. Сообщив шарику А толчок, мы заставили его колебаться; в виду того, что оба шарика связаны между собой нитью НН, шарик Б также начнет совершать колебания. Но размахи его колебаний будут меньше, чем размахи шарика А. Если же мы будем удлинять нить бв, на которой висит шарик Б, то заметим, что, по мере удлинения нити бв, увеличиваются и размахи шарика; такое увеличение размахов будет продолжаться до тех пор, пока длина нити бв не сделается равной длине нити шарика А. При дальнейшем увеличении нити бв размахи шарика Б снова начнут уменьшаться; таким образом, наибольшие размахи шарика Б будут иметь место при равенстве длин нитей обоих шариков.
Черт. 5.
Это об'ясняется тем, что как раз в этот момент период колебаний шарика Б становится равным периоду колебаний шарика А, т.-е., иными словами, в этот момент шарик Б колеблется в резонанс с колебаниями шарика А. При дальнейшем увеличении длины нити бв период колебаний шарика Б перестанет быть равным периоду колебаний шарика А, резонанс между их колебаниями нарушится, амплитуды шарика Б начнут уменьшаться.
Изобразим на чертеже колебания шарика Б в зависимости от колебаний шарика А. Для этого по горизонтальной оси ОА. (черт. 6) будем откладывать в условной мере длины нити, на которой висит шарик Б, а по вертикальной — его размахи, соответствующие определенным длинам нити; соединив точки а, б, в, г и т. д. между собою, мы получим кривую линию, т.-н. кривую резонанса.
Черт. 6.
Из этой кривой видно, что размахи шарика Б, постепенно увеличиваясь, достигают наибольшей величины при длине нити бв в 6 см, равной длине нити шарика А; а в этот момент, как было сказано выше, периоды колебаний обоих шариков совпадают, и они колеблются в резонанс друг с другом.
Изменяя длину нити бв, мы добиваемся того, что периоды колебаний обоих шариков становятся одинаковыми; такая подгонка одного колебательного движения к тому, чтобы период его сделался равным периоду другого колебательного движения и называется настройкой в резонанс этих колебательных движений или просто настройкой.
В одной из наших бесед было уже сказано, что для получения тех электромагнитных волн, при помощи которых осуществляется радиопередача, в антенне передающей станции необходимо возбудить электрические колебания. Эти электрические колебания также, как и колебания шариков в только что описанных опытах, могут быть настраиваемы в резонанс друг с другом.
Явление резонанса электрических колебаний играет существеннейшую роль во всей радиотехнике, и изучением этого явления, равно как и изучением электрических колебаний, мы подробно займемся в дальнейших беседах.