Разрушительное действии резонанса и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

О физике твердотельных колебательных систем
и о разрушительном действии резонанса

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
9 апреля 2010, Санкт-Петербург

     Повсеместно и ежедневно нам в нашей жизни сопутствуют колебательные системы.
     Первое впечатление в жизни - это качели. На этом отнюдь не простейшем примере можно наблюдать и зависимость периода колебаний от веса того, кто качается, а также проблему синфазности движения качелей с внешней раскачивающей силой. Далее, идет знакомство с музыкальными инструментами, так или иначе использующими разного рода колебательные системы для получения музыкальных звуков. Ну, и в конце концов, вся, полностью обнимающая нас электроника, основным и непременным узлом которой является кварцевый резонатор - так сказать, рафинированная колебательная система.
     И вместе с тем, так ли уж много мы понимаем в этом...
     Самое четкое определение колебательной системы дал лорд Кельвин при открытии им электрического L-C колебательного контура в 1878-м году. Обнаружив, что при ударном воздействии на колебательный контур возникает синусоидальный (гармонический) затухающий процесс, Кельвин заявил, что это является доказательством того, что имеет место новая, неизвестная ранее колебательная система.
     Таким образом, можем сформулировать, что колебательной системой является устройство, которое имеет механизм преобразования ударного воздействия в гармонический затухающий процесс.
     Но вот интересно то, что это определение мы можем приложить не ко всем известным и применяемым колебательным системам. Это происходит потому, что для этих устройств, являющихся безусловно колебательными системами (по определению Кельвина), сам механизм преобразования удара в синусоиду далеко не всегда известен.
     Что касается разного рода маятников, пружин и колебательных контуров, то механизмы их колебательности изучены и рассмотрены. Однако существуют колебательные системы, механизм которых неизвестен, несмотря на очень широкое их применение. Так, до недавних пор оставалось неизвестным, каким образом выполняют роль колебательной системы, скажем, кварцевые резонаторы.
     Эффект кварцевого резонатора был обнаружен еще в 1917 году, но признать его непонятность почему-то постеснялись. В силу этой стеснительности была предложена модель кварцевого резонатора в виде его эквивалента некоторой совокупности нескольких виртуальных конденсаторов и катушек индуктивности. Такое вот как бы моделирование почему-то названо научным описанием кварцевых резонаторов, это все называется теорией, и такого рода научной и учебной литературы существует видимо-невидимо.
     Понятно, что никаких - ни виртуальных, ни реальных конденсаторов в кварцевых резонаторах не присутствует, и вся эта наукообразная макулатура к этим резонаторам никак не относится. Дело в том, что на практике частота кварцевого резонатора f0 определяется толщиной кварцевой пластины h, и при изготовлении ее пользуются следующей эмпирической формулой:

f0 = k / h, где        (1)

k - технологический коэффициент.
     Так вот, во всей существующей литературе о кварцевых резонаторах мы не найдем ни упоминания этого эмпирического соотношения, ни вообще какой-либо информации о связи собственной частоты резонатора с размерами пластины.
     Спустя 60 лет после открытия свойств кварцевых пластин, в 1977 году, было обнаружено, что резонаторами являются не только кварцевые пластины, но и объекты из подавляющего большинства твердых сред (металлы и сплавы, стекло, керамика, горные породы). При этом оказалось, что количество собственных частот этих резонаторов равно количеству их размеров. Так, сплошной шар, допустим, из стекла, имеет всего один размер - диаметр d, и, соответственно, одну собственную частоту f0, связь между которыми, как оказалось, определяется соотношением (1). Пластина, имеющая толщину h и размеры a и b, имеет три собственные частоты, каждая из которых связана с соответствующим размером соотношением (1).
     Наличие резонансных свойств перечисленных выше объектов выявляется очень просто, и даже несколькими способами. В шахтных условиях, в случае слоистых пород, наиболее простой способ состоит в том, что к исследуемому объекту (к породам кровли) прижимают датчик поля упругих колебаний (сейсмоприемник), и наносят по поверхности кровли короткий удар. Реакция на удар будет выглядеть как затухающий гармонический сигнал. В лабораторных условиях этот метод является неприемлемым, поскольку получить требуемые параметры удара для небольших образцов очень непросто. В лаборатории оказалось проще использовать исследование образца с помощью ультразвуковых установок.
     Как оказалось, резонансные свойства кварцевого резонатора не являются чем-то уникальным и зависящим от наличия пьезоэффекта. Наличие же пьезоэффекта лишь упрощает индикацию и использование этого свойства. Так, исследуя резонансные свойства пьезокерамического диска, его в процессе эксперимента можно нагреть до температуры, превышающей точку Кюри, при которой пьезоэффект исчезает, а резонансные свойства его никак не изменятся.
     Однако если ученым, изучавшим кварцевые резонаторы, удалось уйти от поиска физики их резонансных свойств, то мне пришлось ею заняться вплотную. Дело в том, что, несмотря на фактически существующих резонансных проявлений, исходя из общих соображений, пластина из однородного материала не должна проявлять резонансные свойства. В такой пластине должен отсутствовать механизм преобразования ударного воздействия в гармонический сигнал.
     Нельзя сказать, что эта точка зрения ошибочна, потому что есть материалы, объекты из которых не являются резонаторами. И действительно, в таком материале как плексиглас (оргстекло) и некоторых других, этот механизм отсутствует. Объекты из плексигласа резонаторами не являются. При ударном воздействии на пластину из оргстекла реакция имеет вид последовательности затухающих коротких импульсов. То есть, полностью соответствует положениям общепринятой акустики твердых сред.
     Вместе с тем, как оказалось (в 1977 году), породные слои проявляют резонансные свойства, и с помощью соотношения (1) оказалось возможным без бурения (!) определять строение породной толщи. Ну понятно же, что использовать физический эффект при том, что не составляет труда доказать невозможность его существования, весьма затруднительно. Кроме того, использование этого эффекта в шахтах позволило создать методику прогнозирования обрушения пород кровли - явления, которое дает 50% травматизма шахтеров во всем Мире. А вот внедрять в практику методику, основанную на столь сомнительном физическом эффекте было совершенно невозможно.
     На поиски отличия плексигласа от тех материалов, объекты из которых являются резонаторами, ушло 4 года. И где-то в 1981-м году было обнаружено, что различие это есть, и оно касается акустических свойств приграничных зон подавляющего большинства твердых сред.
     Оказалось, что акустические свойства приповерхностных зон сред, объекты из которых проявляют свойства резонаторов, таковы, что скорость распространения фронта Vfr при нормальном прозвучивании непостоянна, и уменьшается с приближением фронта к поверхности.
     На рис.1 приведен случай нормального прозвучивания пластины-резонатора 1 толщиной h. Зависимость Vfr(х), а также минимальное и максимальное значения Vfr и величины зон Δh получены на основании измерений, выполненных на множестве пластин из одного и того же материала, но имеющих различные толщины. Среднее значение скорости Vfr.mid - это то значение, которое получается при определении скорости по моменту первого вступления.
     При подобных же исследованиях пластин из оргстекла скорость Vfr.mid  при изменении толщины пластины h остается постоянной, из чего можно сделать вывод о том, что в оргстекле (пластина-нерезонатор) зоны Δ h отсутствуют.
     При излучении диском-излучателем 1 гармонического сигнала, на собственной частоте прозвучиваемой пластины-резонатора f0, то есть, на резонансе, э.д.с. на диске-приемнике 3 исчезает, но появляется на диске-приемнике 4. Этот эффект называется акустическим резонансным поглощением (АРП) [1].

Случай нормального прозвучивания пластины-резонатора 1 толщиной h
Рис. 1

     Пьезокерамический диск-излучатель 2 , прозвучиваемая пластина 1 и пьезокерамические диски-приемники 3 и 4 находятся в жидкости (вода или масло).
     Таким образом,  на резонансе происходит переориентация первичного поля, излученного пьезопреобразователем 1, в ортогональном направлении. Поворот поля в  ортогональном направлении происходит при наличии приповерхностных зон Δh.
     Связь между наличием зон Δh и поворотом поля в ортогональном направлении довольно проста. Дело в том, что скорость движения какого-либо объекта или скорость распространения какого-либо процесса не может изменяться без внешнего воздействия. Поэтому на самом деле, в зоне Δh изменяется не скорость распространения фронта Vfr, а ее x-составляющая, что  возможно только при наличии возникновения y-составляющей. Иначе говоря, вектор остается постоянным по величине, но в зонах Δh происходит поворот вектора Vfr.
     То есть, получается, что при ударном воздействии на слой-резонатор его поверхности становятся излучателями его собственной частоты f0, а при гармоническом излучателе слой-резонатор становится на резонансе звуконепрозрачным. Но в обоих случаях, при любом воздействии, вдоль слоя-резонатора распространяется поле упругих колебаний с частотой f0.
     Акустическая изоляция слоя-резонатора на его собственной частоте от прилегающих к нему объектов использовалась весьма давно. Так, замечено, что если приложить ухо к земле, то конницу слышно на колоссальных расстояниях. На самом деле, это не конницу слышно, а собственные колебания породного слоя-резонатора, возбуждаемого конскими копытами. Весьма слабое затухание поля, распространяющегося вдоль слоя-резонатора, как раз и есть следствие акустической изоляции его от прилегающих к нему пород.
     При ударном воздействии на породный массив при сейсморазведочных работах возникающее при этом поле упругих колебаний распространяется вдоль напластования пород. Это противоречит основам сейсморазведки, согласно которым поле, возникающее в результате удара, распространяется во все стороны.
     Это очень серьезный момент для понимания принципа действия сейсморазведки. Получается, что сигналы, получаемые на сейсмограммах, приходят не снизу, не из глубины, а сбоку, поскольку распространяются исключительно ВДОЛЬ напластования.
     При спектральном анализе сейсмосигналов оказалось, что соотношение (1) выполняется при величине коэффициента k в числителе, равном 2500м/с. При этом погрешность определения толщины породного слоя не превышает 10%.
     Надо полагать, что процесс, сориентированный в направлении y при направленном излучении в направлении x, является поперечным. И, таким образом, можно утверждать, что собственный колебательный процесс формируется поперечными волнами, а коэффициент k есть не что иное, как скорость поперечных волн Vsh.
     Обнаружение, по сути, новых, неизвестных ранее колебательных систем требует перестройки мышления. Когда в свое время было обнаружено, что Земля - шар, то осознание этого, а также переход от геоцентрической к гелиоцентрической системе, потребовали перестройки сознания жителей Земли. Однако перестройка эта шла несколько столетий, поскольку особого изменения алгоритмов жизненных условий эта новая информация не потребовала. Сейчас ситуация несколько другая.
     В связи с тем, что наша планета состоит в значительной степени из породных слоев, получается, что в целом она представляет собой совокупность колебательных систем. А это значит, что любое воздействие на поверхность Земли должно вызывать реакцию в виде совокупности гармонических затухающих процессов. В случае же, если воздействие вибрационное, то оказываются возможными резонансные явления.
     При рассмотрении резонансных явлений возникает потребность в учете характерного для колебательных систем параметра - добротности Q. В самом определении добротности скрыта информация о колоссальных разрушительных возможностях резонанса. Добротность Q показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда вибрации в случае резонанса.
     Реальные значения Q для колебательных систем, реализуемых залегающими в земной толще геологическими структурами, могут достигать нескольких сотен. И если в зоне такой вот высокодобротной колебательной системы окажется объект, оказывающий на грунт вибрационное (динамическое) воздействие, то именно во столько раз увеличится амплитуда вибрации этого объекта.
     Однако рост величины вибрации имеет вполне определенные ограничения. Эти ограничения определяются тем, что при некоторой амплитуде вибрации возникает превышение упругих деформаций и наступает разрушение. Разрушиться может грунт, на который оказывается вибрационное воздействие, и это проявляется мгновенным, взрывоподобным проседанием, с образованием воронки. При армировании грунта разного рода железобетонными конструкциями (например, железобетонная плотина ГЭС), могут не выдержать и порваться шпильки, на которых к плотине крепится генератор.
     При небольших значениях Q (скажем, до 10) резонанс проявляется повышенной вибрацией. Это неприятно для обслуживающего персонала, это приводит к образованию разного рода люфтов и дисбаланса работающего механизма, но сокрушительного, мгновенного разрушения такой низкодобротный резонанс не вызовет.
     В случае, если Q существенно больше того предельного значения, при котором амплитуда вибрации вызывает неизбежное разрушение, резонанс может существовать только кратковременно. Так, допустим, что при штатной частоте вибрации динамо-машины 50 Гц, непосредственно под этой установкой залегает геологическая структура, имеющая собственную частоту, скажем, 25 Гц при добротности Q=200. Тогда в течение всего срока штатной эксплуатации вибрация будет в пределах нормы. Однако предположим, что машину по какой-то причине нужно остановить, и тогда, в процессе остановки, в течение какого-то времени, частота ее вращения окажется близкой к резонансной, к 25 Гц. В зоне резонанса начнется плавный рост амплитуды вибрации. И здесь вопрос в том, насколько быстро частота вращения ротора минует зону резонанса, и успеет ли амплитуда вибрации возрасти до разрушительного значения.
     Нетрудно заметить, что здесь в качестве примера была рассмотрена ситуация, которая сложилась на Саяно-Шушенской ГЭС. Там вибрация гидроагрегатов в нормальном, рабочем режиме возросла до неприемлемых значений. И когда было принято решение об остановке, скорость стали уменьшать весьма медленно. В результате, при прохождении зоны высокодобротного резонанса амплитуда вибрации успела возрасти настолько, что не выдержали шпильки, крепившие гидроагрегат. И, кстати, самописцы гидроагрегата показали возрастание вибрации в 600 раз.
     Характерным признаком, предвестником резонансного разрушения является рост вибрации.
     Первое достоверное свидетельство о наличии такого предвестника имело место при аварии на ЧАЭС. Там ведь все началось при изменении режима реактора и, соответственно, скорость вращения агрегатов. При этом началась вибрация, амплитуда которой стала быстро увеличиваться, достигла такого уровня, что люди в панике стали покидать эту зону. Оборвалась вибрация сейсмотолчком (взрывоподобным разрушением грунта), отмеченным сейсмологами. И только через полминуты после этого произошло разрушение реактора.
     В дальнейшем, появлялась информация о том, что этот предвестник имеет место при разрушении разного рода насосных станций. Точно так же, при изменении частоты вибрации компрессора вдруг начинается рост амплитуды вибрации, завершающийся провалом в грунт оборудования. В качестве причины такого события обычно называют либо теракт, либо некачественные сваи, на которых стоит станция.
     Зачастую имеют место железнодорожные аварии, когда без всяких видимых причин поезд рвется на две части, когда вдруг, внезапно, взрывоподобно разрушается насыпь с образованием углубления, и в эту воронку проваливаются мгновенно разрушившиеся шпалы и куски рельсов. Именно в этот момент разрушения пути рвется состав. Однако в вагоне, который оказывается последним из проскочивших эту зону, имеет место сильнейшая вибрация, которая обрывается мгновенным разрушением насыпи.
     13-го августа 2007 года в Новгородской области произошла такая авария с поездом N166 Москва - Петербург. Позже очевидцы описали [2], что произошло: «...сначала поезд начало трясти, после чего последовал хлопок. Проводники, которые не один год работают на этом маршруте, потом признавались, что стали прощаться с жизнью, так как на их памяти такое произошло в первый раз». Ключевой момент - это то, что очевидцы перед ударом ощутили сильную вибрацию.
     3 марта 2009 года в Кельне внезапно обрушилось шестиэтажное здание архива. Как сообщило агентство Reuters [3], перед обрушением наблюдался грохот и сильная вибрация. «Стол, за которым я сидел, качнулся, и я подумал, что кто-то случайно задел его ногой, - сказал один из посетителей архива. - Потом все начало трястись, как во время землетрясения». Дом превратился в груду кирпичей буквально за секунды. Представитель полиции сказал журналистам, что «это было похоже на взрыв»: кирпичи, доски и куски цемента разлетелись по тротуару в радиусе до 70 метров. Под зданием архива проходит ветка метро, тоннель которой тоже обвалился. Источник вибрации, как оказалось, находился в тоннеле метро. Этим источником была работавшая там буровая установка.
     Подробно физика резонансных разрушений рассмотрена в работах [4, 5]. Здесь же представляется необходимым поставить следующий вопрос. Является общеизвестным, что нарастание амплитуды вибрации, обрывающееся взрывоподобным разрушением однозначно связано с резонансными явлениями. Так почему же мы никогда не слышим слова «резонанс» при расследовании катастроф, имевших такой предвестник? Причина оказалась чисто психологической. Согласно укоренившемуся мнению, в земной толще НЕТ никаких колебательных систем. А если нет колебательных систем, значит, не может быть речи о резонансе.
     Если все же допустить предположение о резонансе, то неизбежен вопрос о колебательной системе. Потому что без колебательной системы не может быть резонанса.
     Далее, если допустить, что земная толща действительно представляет собой совокупность колебательных систем, то это подрывает устои сейсморазведки. Ведь рассмотрение сейсморазведки возможно только в рамках ее общепринятой модели, согласно которой земная толща представляет собой совокупность отражающих границ.
     Не имеет значения, дает сейсморазведка информацию или нет, потому что это колоссальный, многомиллиардный бизнес, который трогать нельзя. Бизнес, построенный на фальсификациях, но столь огромный, что сейсморазведка уже не нуждается в том, чтобы ее кто-то подтверждал.
     Сейчас уже нет, наверное, функционирующих ученых, кто бы не знал, что является доказанным факт того, что планета наша - это совокупность колебательных систем. Но теперь у них главная задача - сделать вид, что они этого не знают. Любое открытие в той или иной степени перечеркивает предыдущий уровень знания. Да, действительно, если бы эта точка зрения была освоена и принята, количество техногенных катастроф пошло бы на убыль. Но увы, ученым это не нужно. Для них главное - уцелеть до конца жизни на достигнутом уровне, и чтобы никто не перечеркивал тот уровень знания, на котором они достигли своих высот. И это безусловно по значимости перевешивает для них все те катастрофы, которые можно было бы предотвратить.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
  2. Свидетельство проводников Северного Экспресса www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html
  3. Свидетельство разрушения архива в Кельне www.gazeta.ru/social/2009/03/04/2952320.shtml
  4. Гликман А.Г. Вибрация и резонансные явления в нашей жизни (что произошло на Саяно-Шушенской ГЭС)
  5. Гликман А.Г. Планета Земля как совокупность колебательных систем и техногенные и природные землетрясения как следствия из этого


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: