Резонанс в нашей жизни и смерти

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
14 декабря 2015, Санкт-Петербург

Как ни странно, явление резонанса, осознанное еще в XVIII веке, сейчас воспринимается весьма приблизительно и неконкретно. На самом деле, всё очень просто и логично.

Резонансное явление – это процесс увеличения амплитуды колебаний при неизменной амплитуде источника колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы (Википедия).

Чтобы возникло резонансное явление, необходимо, чтобы совпали три фактора:
1-й – наличие колебательной системы;
2-й – наличие внешнего вибрационного воздействия на эту колебательную систему и
3-й – совпадение собственной частоты колебательной системы с частотой вибрационного воздействия.

Тема резонанса обычно возникает в аспекте разного рода разрушений. Причем в бытовом понимании это обычно носит, некоторым образом, нереальный окрас. Так, очень часто случается, когда вибрация явно незначительных по массе объектов приводит к разрушению весьма массивных инженерных сооружений.

Первый и наиболее осознанный случай, когда в результате прохождения по мосту строевым шагом небольшой группы военнослужащих разрушается мост. 20-30 человек – это 2-3 тонны, а мост – это тысячи тонн. Казалось бы, что такое невозможно. Но длительное, многолетнее наблюдение этого явления показало, что это факт, и с ним стали считаться.

Электрический резонанс, который может возникнуть в результате подключения конденсатора к обмотке трансформатора, был осознан быстрее, поскольку электрическая колебательная система – колебательный L-C контур – метрологически продвинут гораздо сильнее, чем механические колебательные системы, и расчет электрических цепей – задача нехитрая.

Признак развития резонансного процесса (в случае механического резонанса) следующий. В ходе изменения режима вибрирующего объекта, которое приводит к изменению частоты вибрации, возникают колебания, амплитуда которых неконтролируемо увеличивается, может достигнуть очень большой амплитуды, и завершиться разрушением. Разрушению подлежит самое слабое звено. Это или сама колебательная система, или вибрирующий механизм, или элемент связи между ними.

Амплитуда вибрации нарастает плавно, но для того, чтобы сообразить, как сбить этот рост и не допустить разрушение, прежде всего, необходимо знать, что именно играет роль колебательной системы. И вот, как выяснилось еще в 1977 году, существуют колебательные системы, которые залегают в земной толще в виде обычных геологических структур. В простейшем случае – это отдельный породный слой или совокупность породных слоев. Собственная частота таких колебательных систем зависит исключительно от их размеров, и чем толще породный слой, тем ниже его собственная частота, и пересчет частоты в толщину очень прост.

Осознать это мне было крайне сложно. (Дело в том, что к этому моменту я уже 4 года читал курс шахтной геофизики). А в состав любой геофизики обязательно входит сейсморазведка. Так вот, основополагающим фактором для сейсморазведки является постулат, который заключается в том, что по акустическим свойствам земная толща является совокупностью отражающих границ.

А это уже совсем другая история. Если бы земная толща как исследуемый объект могла работать как совокупность отражающих границ, то для исследования ее можно было бы применить временной анализ или, иначе говоря, принцип локации. Как в воде, как в воздухе. В среде, состоящей из резонаторов, этот принцип не работает. Здесь нужно подходить с позиции исследования частотного спектра колебаний, возникающих в результате ударного воздействия на земную толщу.

Однако поскольку это раньше было неизвестно, то сейсморазведка реализует принцип локации несмотря на то, что он в таких условиях не работает. Ну в самом деле, принцип локации предполагает излучение сигнала и прием эхо-сигнала, который имеет такие же спектральные параметры, как и излученный.

В случае же наличия в земной толще колебательных систем ударное воздействие спектрально преобразуется в точке воздействия так, что импульсное воздействие превращается в совокупность гармонических составляющих.

Поскольку, как оказалось, по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, иначе говоря, резонаторов, то установленные на Земле вибрирующие устройства оказываются составляющими этих резонаторов. Как спортсмен, прыгающий на батуте, является составляющей частью этого батута.

Если наземное устройство при работе вибрирует, и если вдруг окажется, что частота этой вибрации равна частоте резонатора, на котором установлено это устройство, то исходная вибрация начинает увеличиваться по амплитуде. В зависимости от параметров резонатора, на котором мы оказались, амплитуда при этом может увеличиться в десятки, сотни и даже тысячи раз.

Главное, что при таком подходе становится понятным возникновение хорошо известного явления – запрещенных скоростей вращения турбин.

Чем больше будет развиваться наша цивилизация, тем больше будет на Земле объектов, оказывающих на нее вибрационное (динамическое) воздействие, и тем больше будет резонансных разрушений. Объекты, оказавшиеся в группе риска – это электростанции, насосные станции, цеха с кузнечно-прессовым оборудованием, железные дороги... То есть ключевые точки, определяющие уровень нашей цивилизации. Наиболее убедительно это проявилось при увеличении энергооснащенности нашей планеты. Так, за вторую половину ХХ века энергооснащенность Земли возросла в 10 раз. При этом, за тот же период потери от техногенных катастроф также возросли в 10 раз – с $70 млрд до $700 млрд в год.

Я бывал на многих объектах, которые пережили резонансное разрушение, и всюду мне рассказывали, что начинается всё с возникновения повышенной вибрации, амплитуда которой плавно и неуклонно растет, вплоть до разрушения. Вот, например, как Саяно-Шушенская ГЭС, на которой ее собственный самописец зафиксировал рост амплитуды вибрации непосредственно перед аварией в 600 (!!) раз.

Но если признаком развития аварийной резонансной ситуации является плавное увеличение амплитуды вибрации, то почему бы, имея, к тому же, регистратор вибрации, не создать устройство, которое могло бы резко изменить скорость вращения, чтобы сорвать приближение аварии... Причина – в непонимании и, соответственно, отрицании этого явления.

Работники Саяно-Шушенской ГЭС рассказывали, что каждое выступление первого их директора Брызгалова Валентина Ивановича обязательно содержало возмущения по поводу возникновения явления, известного как запрещенные скорости. При разгоне или торможении турбоагрегатов обязательно при проходе каких-то конкретных скоростей вращения возникает вибрация. Это при том, что отбалансированная турбина, пока она на заводе, этого свойства не имеет. И что самое поразительное, говорил он, что если турбину переместить на другое место, то значения запрещенных скоростей изменяются.

Вот уже в приведенном абзаце содержится ответ на этот вопрос. Геологические объекты-резонаторы в земной толще от точки к точке изменяют свои размеры, а стало быть, и собственную частоту... То, что люди столько лет уже не могут дойти до этой простой мысли, имеет свои причины.

Первая причина, как я выяснил совсем недавно, заключается в том, что понятие колебательной системы известно только представителям радиотехнических профессий. Я беседовал со специалистами различных областей физики, и даже с сейсмологами и сейсморазведчиками. Результат единый. Полное непонимание. На все мои наводящие вопросы ответ один. Дескать, всё вокруг колеблется, а стало быть, всё вокруг сплошные колебательные системы. И почему-то все приводят в пример наши внутренние органы.

Кроме того, как я уже говорил, исходное положение сейсморазведки заключается в том, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ. Какие уж тут могут быть колебательные системы...

В работах [1, 2, 3] я показал пошагово, как развивалась аварийная ситуация на СШГЭС. Первоначальным моментом было возникновение в 80-х годах в теле плотины трещин. Их заклеили, но возникшие акустические границы остались. В результате, появились в теле плотины новые размеры и, соответственно, новые собственные частоты, причем, оказавшиеся ближе к рабочей скорости вращения. Вот тогда, по мере увеличения раскрытия этих трещин начался плавный рост вибрации. Причем, в диапазоне частот, которые возникают в рабочем режиме.

Эта вибрация проявлялась в том, что пришлось чаще менять стекла окон в машинном зале. Эти стекла стали покрываться мельчайшими трещинами. Они стали как бы матовыми. Со временем, в связи с повышением трещиноватости (раскрывом трещин) в теле плотины, амплитуда вибрации всё возрастала.

Было решено отправить турбину на завод-изготовитель для ее балансировки. Как и следовало ожидать, балансировка ничего не дала. Несмотря на то, что «виновных» пересажали, вибрация продолжала расти. На ГЭС приехало очень высокое начальство, и было принято решение турбину остановить. Находясь в очень нервном состоянии, люди при остановке агрегата задержались на одной из запрещенных скоростей, и начался неуправляемый рост вибрации.

Крайне неоднозначное впечатление у меня сложилось после того, как я просмотрел видеоролик [4], где директор Геофизического института СО АН РФ, Селезнев Виктор Сергеевич разводит руки в знак полного непонимания причины аварии. Будучи профессиональным сейсморазведчиком, он не может быть таким уж непонимающим. Ну не может ученый сейсморазведчик такого уровня не иметь представления о резонансе. Я думаю, что он просто отводил беду от сейсморазведки. И вот почему я так думаю.

В июле 2002 года я участвовал в работе семинара в Геофизическом институте СО АН РФ, под председательством тогдашнего директора этого института академика Гольдина С.В. Мой доклад был посвящен эффекту акустического резонансного поглощения (АРП) [5], с помощью которого доказывается экспериментально, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Примерно на половине доклада Гольдин меня остановил, и сказал, что этот эффект не представляет интереса, поскольку он противоречит основам сейсморазведки.

На мое возражение, что в подобном споре, согласно основам методологии развития научного познания, физический эффект всегда прав, Гольдин просто попросил меня прекратить доклад. Тогда я предложил продемонстрировать этот эффект в ультразвуковой лаборатории института, но и это мне тоже не позволили.

Вторая часть этого семинара проходила в пос. Быстровка, где находятся принадлежащие Геофизическому институту излучатели «Вибросейс». Так сложилось, что один из этих излучателей совершенно случайно продемонстрировал эффект резонанса, а следовательно, доказал то, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем.

Этот излучатель имел название «Кузнечик». Он там самый маленький из излучателей и весит, если память мне не изменяет, «всего» 15 тонн. А название свое он получил после того, как на частоте около 10Гц он вдруг запрыгал и соскочил с железобетонной плиты, на которой он был установлен. Это прекрасная иллюстрация к тому, как выглядит резонанс. 10гц соответствует 250-метровому слою земной толщи. Понятно, что если бы «Кузнечик» был прочно прикреплен к железобетонной плите, то это было бы резонансное разрушение, так как или развалилась бы плита, или порвались бы крепления (как произошло на СШГЭС).

Однако и эти мои рассуждения были не услышаны.

Я это всё вспомнил, когда посмотрел видеоролик с Селезневым. Авария на СШГЭС – это экстраординарное событие, там не всё понятно, и Селезнев конечно же мог и ошибаться. Но когда я услышал от него, что уровень вибрации в момент аварии превышал штатный режим всего лишь в 2 раза... В день аварии в СМИ было сообщение, что амплитуда вибрации непосредственно перед разрушением, в соответствии с показаниями самописца, установленного в машинном зале СШГЭС, увеличилась в 600 раз.

И мне стало понятно, почему Селезнев говорит о двукратном увеличении уровня вибрации. Да потому, что в таком варианте можно сослаться на какие-то случайные факторы, сделать выводы, которые не затронут действительного виновника катастрофы - сейсморазведки. А 600-кратное увеличение амплитуды вибрации – это уже не случайность. Это уже однозначно свидетельствует о том, что имела место весьма высокодобротная колебательная система, которая вошла в резонанс в результате того, что турбина стала вращаться с запрещенной скоростью.

Ну посмотрите, какие шпильки при этом порвались! Неужели они бы порвались при двукратном превышении вибрации?!!

Я не знаю, к кому апеллировать! Селезнев рассуждает чуть ли не о каких-то потусторонних причинах. На самом деле, всё очень просто. И Гольдин, который запретил мне делать доклад, и все, кто пытаются не замечать мои доказательства того, что сейсморазведка – это в лучшем случае, заблуждение.

Я много лет старался не трогать сейсморазведку. Она и сама отомрет за ненадобностью. Ну, понятно, что это большая афера, но она кормит такое количество людей, что и Бог бы с ней. В конце концов, столько денег улетает на откровенно безумные цели, что миллиардом больше, миллиардом меньше, – переживем.

Но вот давайте посмотрим с этих позиций на аварии типа СШГЭС. Зря Селезнев говорит, что это уникальная авария. И на Чернобыле непосредственно перед первым взрывом был рост вибрации, которая завершилась тем, что турбина провалилась сквозь землю. Это и был первый взрыв, который зарегистрировали все сейсмологи Мира.

В конце 80-х точно такая авария была на Нурекской ГЭС. То же самое происходило и на Фукусиме.

В своей статье [3] я предупредил, что при запуске будет рецидив. Ну вот, посмотрите видеоролик [6]. Так и произошло. Вибрация никуда не делась и не денется, и СШГЭС прямым путем идет к дальнейшему росту вибрации и полному разрушению тела плотины.

Ложь в науке – это нормальный для нее режим. Но когда это происходит ради ученых степеней и званий, то с этой ложью можно и смириться. А вот когда это приводит к гибели людей, пора бы и честь знать.

ЛИТЕРАТУРА