Definicija koncepta rezonance (odziva) u fizici dodijeljena je posebnim tehničarima koji posjeduju statističke grafikone koji se često susreću s tim fenomenom. Danas je rezonanca frekvencijski selektivan odgovor, gdje vibracijski sustav ili oštar porast vanjske sile prisiljavaju drugi sustav da oscilira s većom amplitudom na određenim frekvencijama.

Princip rada

Ovaj se fenomen uočava kada je sustav sposoban pohraniti i lako prenositi energiju između dva ili više različitih načina skladištenja, poput kinetičke i potencijalne energije. Međutim, postoje gubici iz ciklusa u ciklus, koji se nazivaju prigušenje. Kada je prigušenje zanemarivo, rezonantna frekvencija je približno jednaka prirodnoj frekvenciji sustava, što je frekvencija neviđenih oscilacija.

Ovi se fenomeni događaju sa svim vrstama oscilacija ili valova: mehaničkim, zvučnim, elektromagnetskim, nuklearno magnetskim (NMR), spinovanjem elektrona (EPR) i rezonancom kvantnih valnih funkcija. Takvi se sustavi mogu koristiti za stvaranje vibracija određene frekvencije (na primjer, glazbeni instrumenti).

Izraz "rezonanca" (od latinskog resonantia, "odjek") dolazi iz područja akustike, posebno promatrane na glazbenim instrumentima, na primjer, kad žice počnu vibrirati i reproducirati zvuk bez izravnog utjecaja svirača.

Primjeri rezonancije u životu

Čitav pritisak na ljuljački uobičajen je primjer toga. Opterećeno zamah, klatno ima svoju frekvenciju oscilacije i rezonantnu frekvenciju, koja se opire pritisku brže ili sporije.

Primjer je kolebanje granata na igralištu koje djeluje poput klatna. Pritisak osobe tijekom ljuljanja s prirodnim intervalom oscilacije dovodi do činjenice da zamah ide sve više i više (maksimalna amplituda), dok pokušaji ljuljanja bržim ili sporijim tempom stvaraju manje lukove. To je zbog činjenice da se energija apsorbirana vibracijama povećava kada udarci odgovaraju prirodnim vibracijama.

Reakcija se široko nalazi u prirodi i koristi se u mnogim umjetnim uređajima. Ovo je mehanizam pomoću kojeg nastaju gotovo svi sinusni valovi i vibracije. Mnogi zvukovi koje, primjerice, čujemo prilikom udara u tvrde predmete izrađene od metala, stakla ili drveta, uzrokuju kratke vibracije u objektu. Svjetlo i druga kratkometna elektromagnetska zračenja nastaju rezonancom na atomskoj skali, poput elektrona u atomima. Ostali uvjeti u kojima se mogu primijeniti korisna svojstva ovog fenomena:

  • Vremenski mehanizmi modernih satova, balansni kotač u mehaničkom satu i kvarčni kristal u satu.
  • Odgovor plime Fundy Bay.
  • Akustična rezonanca glazbenih instrumenata i ljudski glas.
  • Uništavanje kristalne čaše pod utjecajem glazbeno ispravnog tona.
  • Idiofoni trenja, poput stvaranja staklenog predmeta (čaša, boca, vaza), vibriraju kada vrhom prsta trljate oko ruba.
  • Električni odziv prilagođenih krugova u radio postajama i televizijama koji selektivno primaju radio frekvencije.
  • Stvaranje koherentne svjetlosti optičkom rezonancom u laserskoj šupljini.
  • Orbitalni odgovor, primjer su neki mjeseci plinovitih divova Sunčevog sustava.

Materijalna rezonanca na atomskoj skali osnova je nekoliko spektroskopskih metoda koje se koriste u fizici kondenziranih tvari, na primjer:

  • Elektronski spin.
  • Mossbauerov efekt.
  • Nuklearno magnetska.

Vrste fenomena

U opisu rezonancije, Galileo je samo skrenuo pozornost na ono najvažnije - sposobnost mehaničkog oscilirajućeg sustava (teško klatno) da akumulira energiju koja se opskrbljuje iz vanjskog izvora s određenom frekvencijom. Manifestacije rezonancije imaju određene značajke u raznim sustavima i zato razlikuju njezine različite vrste.

Mehanički i akustički

Mehanička rezonanca je tendencija mehaničkog sustava da apsorbira više energije kada njegova frekvencija odgovara prirodnoj frekvenciji vibracije sustava. To može dovesti do ozbiljnih kolebanja kretanja, pa čak i do katastrofalnih kvarova u nedovršenim građevinama, uključujući mostove, zgrade, vlakove i avione. Pri projektiranju objekata inženjeri moraju osigurati da mehaničke rezonantne frekvencije komponenata ne odgovaraju vibracijskim frekvencijama motora ili drugih oscilirajućih dijelova kako bi se izbjegle pojave poznate kao rezonantna nevolja.

Električna rezonanca

Javlja se u električnom krugu na određenoj rezonantnoj frekvenciji kada je impedancija kruga u serijskom krugu minimalna ili maksimalna u paralelnom krugu. Rezonanca u krugovima koristi se za prijenos i primanje bežične komunikacije, poput televizije, mobitela ili radija.

Optička rezonanca

Optička šupljina, koja se naziva i optički rezonator, poseban je raspored ogledala koji tvori rezonator stojećeg vala za svjetlosne valove . Optičke šupljine glavna su komponenta lasera koji okružuju medij za pojačavanje i daju povratne informacije o laserskom zračenju. Također se koriste u optičkim parametrijskim oscilatorima i nekim interferometrima.

Svjetlost ograničena u šupljini opetovano reproducira stajaće valove za određene rezonantne frekvencije. Rezultirajući uzorci stajaćeg vala zovu se "modusi". Uzdužni modusi se razlikuju samo po učestalosti, dok se poprečni modusi razlikuju za različite frekvencije i imaju različite uzorke intenziteta po presjeku snopa. Rezonatori prstena i šapatice su primjeri optičkih rezonatora koji ne tvore stojeće valove.

Orbitalne vibracije

U svemirskoj mehanici orbitalni odgovor nastaje kada dva orbitalna tijela jedno drugo djeluju redovito, periodično, bez gravitacije. To je obično zbog činjenice da su njihova orbitalna razdoblja povezana omjerom dvaju malih brojeva. Orbitalna rezonanca značajno pojačava međusobni gravitacijski utjecaj tijela. U većini slučajeva to dovodi do nestabilne interakcije u kojoj tijela razmjenjuju zamah i pomake dok više ne postoji rezonanca.

U nekim okolnostima rezonantni sustav može biti stabilan i samopopravljajući tako da tijela ostanu u rezonanci. Primjeri su Mjesečeva rezonana 1: 2: 4 Jupitera Ganymedea, Europa i Io, i rezonanca 2: 3 između Plutona i Neptuna. Nestabilne rezonancije s unutarnjim mjesečevima Saturna stvaraju praznine u Saturnovim prstenima. Poseban slučaj 1: 1 rezonancije (između tijela sa sličnim orbitalnim polumjerima) prisiljava velika tijela Sunčevog sustava na čišćenje okoline oko njihovih orbita, istiskujući gotovo sve ostalo oko njih.

Atomske, parcijalne i molekularne

Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) naziv je definiran fizičkim rezonantnim fenomenom povezanim s promatranjem specifičnih kvantno-mehaničkih magnetskih svojstava atomskog jezgra ako je prisutno vanjsko magnetsko polje. Mnoge znanstvene metode koriste fenomene NMR za proučavanje molekularne fizike, kristala i nekristalnih materijala. NMR se također često koristi u modernim tehnikama medicinskog snimanja poput magnetske rezonancije (MRI).

Koristi i štete rezonancije

Da bi se izvukao zaključak o prednostima i nedostacima rezonancije, potrebno je razmotriti u kojim se slučajevima to može manifestirati najaktivnije i najuočljivije za ljudsku aktivnost.

Pozitivan učinak

Fenomen odgovora naširoko se koristi u znanosti i tehnologiji . Na primjer, rad mnogih radio sklopova i uređaja temelji se na ovom fenomenu.

  • Dvotaktni motor. Prigušivač dvotaktnog motora ima poseban oblik, dizajniran za stvaranje rezonantnog fenomena. Poboljšava rad motora smanjenjem potrošnje i zagađenja. Ova rezonanca djelomično smanjuje negorjele plinove i povećava kompresiju u cilindru.
  • Glazbeni instrumenti U slučaju gudačkih i puhačkih instrumenata, zvuk nastaje uglavnom kada je oscilatorni sustav (žice, stupovi zraka) pobuđen prije pojave rezonancije.
  • Radio. Svaka radio postaja emitira elektromagnetski val s jasno definiranom frekvencijom. Kako bi ga zabilježio, RLC krug prisiljen je vibrirati antenom koja bilježi sve elektromagnetske valove koji do njega stižu. Da biste slušali jednu stanicu, prirodna frekvencija RLC kruga mora biti podešena na frekvenciju željenog odašiljača promjenom kapaciteta kapacitivnog kondenzatora (rad se izvodi pritiskom na tipku za pretraživanje stanice). Svi radiokomunikacijski sustavi, bilo da odašiljači ili prijemnici, koriste rezonatore za "filtriranje" frekvencija signala koje obrađuju.
  • Snimanje magnetskom rezonancom (MRI). 1946. dvojica Amerikanaca Felix Bloch i Edward Mills Purcell neovisno su otkrili fenomen nuklearne magnetske rezonancije, također nazvan NMR, koji im je donio Nobelovu nagradu za fiziku.

Negativni utjecaj

Međutim, fenomen nije uvijek koristan . Često možete pronaći poveznice na slučajeve kada su se montirani mostovi probili kad su vojnici prolazili duž njih „u podnožju“. U ovom se slučaju upućuje na očitovanje efekta rezonancije utjecaja rezonancije, a borba protiv nje postaje opsežna.

  • Motorni prijevoz. Motoriste često nervira buka koja nastaje pri određenoj brzini vozila ili kao rezultat rada motora. Neki slabo zaobljeni dijelovi tijela odjekuju i emitiraju zvučne vibracije. Sam automobil sa svojim sustavom ovjesa je oscilator opremljen učinkovitim amortizerima koji sprečavaju pojavu akutne rezonancije.
  • Mostova. Most može izvoditi okomite i bočne vibracije. Svaka od ovih vrsta oscilacija ima svoje razdoblje. Ako su trake suspendirane, sustav ima vrlo različitu rezonantnu frekvenciju.
  • Zgrada. Visoke zgrade podložne su potresima. Neki pasivni uređaji mogu ih zaštititi: oni su oscilatori čija je prirodna frekvencija blizu frekvencije same zgrade. Tako se klatno potpuno apsorbira, što sprečava uništavanje zgrade.

Rezonanca rezonanca

No usprkos ponekad kobnim posljedicama učinka odgovora, protiv toga je sasvim moguće i potrebno. Da bi se izbjegla nepoželjna pojava ovog fenomena, obično se koriste dvije metode za istodobnu primjenu rezonancije i borbu protiv nje:

  1. Postoji "isključenje" frekvencija, što će, ako se poklopi, dovesti do nepoželjnih posljedica. Da biste to učinili, povećajte trenje različitih mehanizama ili promijenite prirodnu frekvenciju oscilacija sustava.
  2. Povećajte prigušivanje vibracija, primjerice, motor stavite na gumenu oblogu ili opruge.

Kategorija:

Tehnologije