Definicja pojęcia rezonansu (odpowiedzi) w fizyce jest przypisana specjalnym technikom, którzy posiadają wykresy statystyczne, które często napotykają to zjawisko. Dzisiaj rezonans jest reakcją selektywną na częstotliwość, w której układ wibracyjny lub gwałtowny wzrost siły zewnętrznej zmusza inny układ do oscylacji z większą amplitudą przy określonych częstotliwościach.

Zasada działania

Zjawisko to obserwuje się, gdy system jest w stanie magazynować i łatwo przenosić energię między dwoma lub więcej różnymi trybami magazynowania, takimi jak energia kinetyczna i potencjalna. Istnieją jednak pewne straty z cyklu na cykl, zwane tłumieniem. Gdy tłumienie jest nieistotne, częstotliwość rezonansowa jest w przybliżeniu równa częstotliwości naturalnej układu, która jest częstotliwością wymuszonych oscylacji.

Zjawiska te występują w przypadku wszystkich typów oscylacji lub fal: mechanicznych, akustycznych, elektromagnetycznych, magnetycznych jądrowych (NMR), spinów elektronowych (EPR) i rezonansu funkcji fal kwantowych. Takie systemy mogą być wykorzystywane do generowania wibracji o określonej częstotliwości (na przykład instrumenty muzyczne).

Termin „rezonans” (z łacińskiego rezonansu „echo”) pochodzi z dziedziny akustyki, szczególnie obserwowanej w instrumentach muzycznych, na przykład gdy struny zaczynają wibrować i odtwarzać dźwięk bez bezpośredniego wpływu odtwarzacza.

Przykłady rezonansu w życiu

Nacisk osoby na huśtawkę jest częstym przykładem tego zjawiska. Obciążone wahadło wahadło ma swoją własną częstotliwość oscylacji i częstotliwość rezonansową, która jest odporna na pchanie szybciej lub wolniej.

Przykładem jest kołysanie się muszli na placu zabaw, który działa jak wahadło. Naciskanie osoby podczas huśtawki z naturalnym odstępem oscylacji prowadzi do tego, że huśtawka idzie coraz wyżej (maksymalna amplituda), podczas gdy próby huśtania się w szybszym lub wolniejszym tempie tworzą mniejsze łuki. Wynika to z faktu, że energia pochłonięta przez wibracje wzrasta, gdy wstrząsy odpowiadają wibracjom naturalnym.

Odpowiedź jest szeroko spotykana w przyrodzie i jest stosowana w wielu sztucznych urządzeniach. Jest to mechanizm, dzięki któremu generowane są prawie wszystkie fale sinusoidalne i wibracje. Wiele dźwięków, które słyszymy na przykład podczas uderzania twardych przedmiotów wykonanych z metalu, szkła lub drewna, powstają w wyniku krótkich wibracji obiektu. Światło i inne krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane jest przez rezonans w skali atomowej, np. Elektrony w atomach. Inne warunki, w których można zastosować korzystne właściwości tego zjawiska:

  • Mechanizmy pomiaru czasu współczesnych zegarków, koło wyważające w zegarku mechanicznym i kryształ kwarcu w zegarku.
  • Reakcja pływowa Fundy Bay.
  • Rezonanse akustyczne instrumentów muzycznych i ludzkiego głosu.
  • Zniszczenie szkła kryształowego pod wpływem muzycznego właściwego tonu.
  • Idiofony tarcia, takie jak robienie szklanego przedmiotu (szkło, butelka, wazon), wibrują, gdy są rozcierane wokół krawędzi opuszkiem palca.
  • Odpowiedź elektryczna dostrojonych obwodów w stacjach radiowych i telewizorach, które selektywnie odbierają częstotliwości radiowe.
  • Tworzenie spójnego światła za pomocą rezonansu optycznego we wnęce laserowej.
  • Odpowiedź orbitalna, której przykładem są niektóre księżyce gazowych gigantów Układu Słonecznego.

Rezonanse materiałowe w skali atomowej są podstawą kilku metod spektroskopowych stosowanych w fizyce materii skondensowanej, na przykład:

  • Wirowanie elektroniczne.
  • Efekt Mossbauera.
  • Jądrowy magnetyczny.

Rodzaje zjawisk

W opisie rezonansu Galileusz zwrócił uwagę na najważniejszą - zdolność mechanicznego układu oscylacyjnego (ciężkiego wahadła) do gromadzenia energii, która jest dostarczana ze źródła zewnętrznego o określonej częstotliwości. Manifestacje rezonansu mają pewne cechy w różnych układach i dlatego rozróżniają jego różne typy.

Mechaniczny i akustyczny

Rezonans mechaniczny to tendencja układu mechanicznego do pochłaniania większej ilości energii, gdy jego częstotliwość odpowiada naturalnej częstotliwości drgań układu. Może to prowadzić do poważnych fluktuacji ruchu, a nawet katastrofalnej awarii niedokończonych konstrukcji, w tym mostów, budynków, pociągów i samolotów. Projektując obiekty, inżynierowie muszą upewnić się, że częstotliwości rezonansu mechanicznego elementów nie odpowiadają częstotliwościom drgań silników lub innych części oscylacyjnych, aby uniknąć zjawiska znanego jako zagrożenie rezonansowe.

Rezonans elektryczny

Występuje w obwodzie elektrycznym o określonej częstotliwości rezonansowej, gdy impedancja obwodu jest minimalna w obwodzie szeregowym lub maksymalna w obwodzie równoległym. Rezonans w obwodach służy do przesyłania i odbierania komunikacji bezprzewodowej, takiej jak telewizja, sieć komórkowa lub radio.

Rezonans optyczny

Wnęka optyczna, zwana także rezonatorem optycznym, jest specjalnym układem zwierciadeł, które tworzą rezonator fal stojących dla fal świetlnych . Wnęki optyczne są głównym składnikiem laserów otaczających ośrodek wzmacniający i dostarczających sprzężenie zwrotne promieniowania laserowego. Są one również stosowane w optycznych oscylatorach parametrycznych i niektórych interferometrach.

Światło ograniczone we wnęce wielokrotnie odtwarza fale stojące dla określonych częstotliwości rezonansowych. Powstałe wzory fal stojących nazywane są „trybami”. Tryby podłużne różnią się tylko częstotliwością, podczas gdy tryby poprzeczne różnią się dla różnych częstotliwości i mają różne wzorce intensywności w przekroju wiązki. Rezonatory pierścieniowe i szeptane galerie to przykłady rezonatorów optycznych, które nie tworzą fal stojących.

Wibracje orbitalne

W mechanice kosmicznej reakcja orbity występuje, gdy dwa ciała orbitalne wywierają na siebie regularny okresowy efekt grawitacyjny. Wynika to zwykle z faktu, że ich okresy orbitalne są powiązane stosunkiem dwóch małych liczb całkowitych. Rezonanse orbitalne znacznie zwiększają wzajemny wpływ grawitacyjny ciał. W większości przypadków prowadzi to do niestabilnej interakcji, w której ciała wymieniają pęd i przemieszczenie, dopóki rezonans przestanie istnieć.

W niektórych okolicznościach układ rezonansowy może być stabilny i samoregulujący, dzięki czemu ciała pozostają w rezonansie. Przykładami są rezonans księżycowy Jowisza Ganymede 1: 2: 4, Europa i Io oraz rezonans 2: 3 między Plutonem i Neptunem. Niestabilny rezonans z wewnętrznymi księżycami Saturna powoduje powstawanie luk w pierścieniach Saturna. Specjalny przypadek rezonansu 1: 1 (między ciałami o podobnych promieniach orbity) zmusza duże ciała Układu Słonecznego do oczyszczenia otoczenia wokół ich orbit, wypychając prawie wszystko inne wokół nich.

Atomowy, częściowy i molekularny

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) to nazwa zdefiniowana przez zjawisko rezonansu fizycznego związane z obserwacją określonych kwantowo-mechanicznych właściwości magnetycznych jądra atomowego, jeśli obecne jest zewnętrzne pole magnetyczne. Wiele metod naukowych wykorzystuje zjawiska NMR do badania fizyki molekularnej, kryształów i materiałów niekrystalicznych. NMR jest również powszechnie stosowany w nowoczesnych technikach obrazowania medycznego, takich jak rezonans magnetyczny (MRI).

Korzyści i szkody wynikające z rezonansu

Aby wyciągnąć wnioski na temat zalet i wad rezonansu, należy rozważyć, w jakich przypadkach może on przejawiać się najbardziej aktywnie i zauważalnie w działalności człowieka.

Pozytywny efekt

Zjawisko reakcji jest szeroko stosowane w nauce i technologii . Na przykład praca wielu obwodów i urządzeń radiowych opiera się na tym zjawisku.

  • Silnik dwusuwowy. Tłumik silnika dwusuwowego ma specjalny kształt, zaprojektowany w celu stworzenia zjawiska rezonansowego. Poprawia wydajność silnika poprzez zmniejszenie zużycia i zanieczyszczenia. Rezonans ten częściowo zmniejsza niespalone gazy i zwiększa kompresję w cylindrze.
  • Instrumenty muzyczne W przypadku strun i instrumentów dętych wytwarzanie dźwięku występuje głównie wtedy, gdy układ oscylacyjny (struny, kolumny powietrza) jest wzbudzany przed pojawieniem się rezonansu.
  • Radia Każda stacja radiowa emituje falę elektromagnetyczną o wyraźnie określonej częstotliwości. Aby go uchwycić, obwód RLC jest zmuszony wibrować za pomocą anteny, która przechwytuje wszystkie docierające do niego fale elektromagnetyczne. Aby słuchać jednej stacji, częstotliwość naturalna obwodu RLC musi zostać dostrojona do częstotliwości pożądanego nadajnika poprzez zmianę pojemności kondensatora zmiennego (operacja odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku wyszukiwania stacji). Wszystkie systemy komunikacji radiowej, zarówno nadajniki, jak i odbiorniki, wykorzystują rezonatory do „filtrowania” częstotliwości przetwarzanych sygnałów.
  • Rezonans magnetyczny (MRI). W 1946 r. Dwóch Amerykanów Felix Bloch i Edward Mills Purcell niezależnie odkryli zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego, zwane także NMR, co przyniosło im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Negatywny wpływ

Jednak zjawisko to nie zawsze jest przydatne . Często można znaleźć linki do przypadków, w których zawieszone mosty zepsuły się, gdy żołnierze przeszli wzdłuż nich „stopą”. W tym przypadku nawiązuje się do manifestacji efektu rezonansowego wpływu rezonansu, a walka z nim staje się na dużą skalę.

  • Transport samochodowy. Kierowców często denerwuje hałas, który pojawia się przy określonej prędkości pojazdu lub w wyniku pracy silnika. Niektóre słabo zaokrąglone części ciała rezonują i emitują wibracje dźwiękowe. Sam samochód z układem zawieszenia to oscylator wyposażony w skuteczne amortyzatory, które zapobiegają występowaniu ostrego rezonansu.
  • Mosty Most może wykonywać drgania pionowe i boczne. Każdy z tych typów oscylacji ma swój własny okres. Jeśli zawiesia są zawieszone, system ma bardzo inną częstotliwość rezonansową.
  • Budynki Wysokie budynki są podatne na trzęsienia ziemi. Niektóre urządzenia pasywne mogą je chronić: są to oscylatory, których częstotliwość naturalna jest zbliżona do częstotliwości samego budynku. W ten sposób wahadło całkowicie pochłania energię, co zapobiega zniszczeniu budynku.

Rezonans Rezonans

Ale pomimo czasami śmiertelnych konsekwencji efektu reakcji, jest całkiem możliwe i konieczne, aby z nim walczyć. Aby uniknąć niepożądanego wystąpienia tego zjawiska, zwykle stosuje się dwie metody jednoczesnego zastosowania rezonansu i zwalczania go:

  1. Występuje „rozłączenie” częstotliwości, które, jeśli się zbiegną, doprowadzi do niepożądanych konsekwencji. Aby to zrobić, zwiększ tarcie różnych mechanizmów lub zmień naturalną częstotliwość oscylacji układu.
  2. Zwiększ tłumienie drgań, na przykład umieść silnik na gumowej okładzinie lub sprężynach.

Kategoria:

Technologia