Opredelitev pojma resonanca (odziv) v fiziki je dodeljena posebnim tehnikom, ki imajo statistične grafe, ki se pogosto srečujejo s tem pojavom. Danes je resonanca frekvenčno selektivni odziv, kjer vibracijski sistem ali močno povečanje zunanje sile prisili drug sistem, da niha z večjo amplitudo pri določenih frekvencah.

Načelo delovanja

Ta pojav opazimo, ko sistem lahko shrani in zlahka prenese energijo med dvema ali več različnimi načini shranjevanja, kot sta kinetična in potencialna energija. Vendar pa obstaja nekaj izgub iz cikla v cikel, ki se imenujejo slabljenje. Kadar je slabljenje zanemarljivo, je resonančna frekvenca približno enaka naravni frekvenci sistema, ki je frekvenca nesojenih nihanj.

Ti pojavi se pojavljajo pri vseh vrstah nihanj ali valov: mehanskih, zvočnih, elektromagnetnih, jedrsko magnetnih (NMR), spiranju elektronov (EPR) in resonanci kvantnih valovnih funkcij. Takšni sistemi se lahko uporabljajo za ustvarjanje vibracij določene frekvence (na primer glasbila).

Izraz "resonanca" (iz latinskega resonantia, "odmev") izvira iz področja akustike, zlasti ga opazimo na glasbenih inštrumentih, na primer, ko godala začnejo strune vibrirati in reproducirati zvok brez neposrednega vpliva igralca.

Primeri resonance v življenju

Pritisk osebe na gugalnico je pogost primer tega pojava. Nihalo ima obremenjeno nihanje lastno frekvenco nihanja in resonančno frekvenco, ki se upira hitrejšemu ali počasnejšemu pritisku.

Primer je nihanje školjk na igrišču, ki deluje kot nihalo. Pritisk osebe med zamahom z naravnim intervalom nihanja vodi do dejstva, da gre zamah višje in višje (največja amplituda), medtem ko poskuša nihanje hitreje ali počasneje ustvariti manjše loke. To je posledica dejstva, da se energija, ki jo absorbirajo vibracije, poveča, ko udarci ustrezajo naravnim vibracijam.

Odziv je v naravi zelo razširjen in se uporablja v številnih umetnih napravah. To je mehanizem, s katerim nastajajo skoraj vsi sinusni valovi in ​​vibracije. Številni zvoki, ki jih slišimo, na primer, ko trdijo predmeti iz kovine, stekla ali lesa, nastanejo zaradi kratkih vibracij v predmetu. Svetlobna in druga kratkovalna elektromagnetna sevanja nastajajo z resonanco na atomskem merilu, kot so elektroni v atomi. Drugi pogoji, v katerih je mogoče uporabiti koristne lastnosti tega pojava:

  • Časovni mehanizmi sodobnih ur, ravnotežno kolo v mehanski uri in kremenčev kristal v uri.
  • Odziv plimovanja Fundy Baya.
  • Akustične resonance glasbenih inštrumentov in človeškega glasilnega trakta.
  • Uničenje kristalnega kozarca pod vplivom glasbenega pravega tona.
  • Treni idiofoni, na primer izdelovanje steklenega predmeta (steklo, steklenica, vaza), vibrirajo, ko ga s konico prsta drgnete po robu.
  • Električni odziv uglašenih vezij v radijskih postajah in televizorjih, ki selektivno sprejemajo radijske frekvence.
  • Ustvarjanje koherentne svetlobe z optično resonanco v laserski votlini.
  • Orbitalni odziv, primer tega so nekatere lune plinskih velikanov sončnega sistema.

Materialne resonance v atomskem merilu so osnova več spektroskopskih metod, ki se uporabljajo v fiziki kondenziranih snovi, na primer:

  • Elektronski spin.
  • Mossbauerjev učinek.
  • Jedrsko magnetno.

Vrste fenomena

Galileo je v opisu resonance le opozoril na najpomembnejše - sposobnost mehanskega nihajočega sistema (težko nihalo), da akumulira energijo, ki se napaja iz zunanjega vira z določeno frekvenco. Manifestacije resonance imajo določene značilnosti v različnih sistemih in zato razlikujejo njegove različne vrste.

Mehanski in akustični

Mehanska resonanca je težnja mehanskega sistema, da absorbira več energije, če njegova frekvenca ustreza naravni frekvenci vibracije sistema. To lahko privede do močnih nihanj gibanja in celo do katastrofalne okvare nedokončanih struktur, vključno z mostovi, zgradbami, vlaki in letali. Inženirji morajo pri načrtovanju objektov zagotoviti, da mehanske resonančne frekvence sestavnih delov ne ustrezajo vibracijskim frekvencam motorjev ali drugih nihajnih delov, da bi se izognili pojavom, znanim kot resonančna stiska.

Električna resonanca

Pojavi se v električnem vezju z določeno resonančno frekvenco, ko je impedanca tokokroga v serijskem vezju minimalna ali največja v vzporednem vezju. Resonanca v vezjih se uporablja za oddajanje in sprejemanje brezžičnih komunikacij, kot so televizija, celica ali radio.

Optična resonanca

Optična votlina, imenovana tudi optični resonator, je posebna razporeditev ogledal, ki tvori resonator stoječega vala za svetlobne valove . Optične votline so glavna sestavina laserjev, ki obkrožajo ojačevalni medij in zagotavljajo povratne informacije o laserskem sevanju. Uporabljajo se tudi v optičnih parametričnih oscilatorjih in nekaterih interferometrih.

Svetloba, omejena v votlini, večkrat reproducira stoječe valove za določene resonančne frekvence. Nastali vzorci stoječih valov se imenujejo "načini". Vzdolžni načini se razlikujejo le po frekvenci, prečni načini pa se razlikujejo za različne frekvence in imajo v prerezu snopa različne vzorce intenzitete. Zvočni resonatorji in šepetajoče galerije so primeri optičnih resonatorjev, ki ne tvorijo stoječih valov.

Orbitalne vibracije

V vesoljski mehaniki se orbitalni odziv pojavi, kadar dva orbitalna telesa drug na drugega redno, periodično gravitacijsko vplivata. Običajno je to posledica dejstva, da sta njuni orbitalni obdobji povezani z razmerjem dveh majhnih celih števil. Orbitalne resonance znatno povečajo medsebojni gravitacijski vpliv teles. V večini primerov to vodi v nestabilno interakcijo, v kateri si telesa izmenjujejo zagon in premik, dokler resonanca ne obstaja več.

V nekaterih okoliščinah je resonančni sistem lahko stabilen in samopopravljajoč, tako da telesa ostanejo v resonanci. Primera sta lunova resonanca Jupiter Ganymede, Evropa in Io, 1: 2: 4 in resonanca 2: 3 med Plutonom in Neptunom. Nestabilne resonance z notranjimi lunami Saturna povzročajo vrzeli v Saturnovih obročih. Poseben primer 1: 1 resonance (med telesi s podobnimi orbitalnimi polmeri) sili velika telesa osončja, da očistijo okolico okoli svojih orbitov, iztisnejo skoraj vse ostalo okoli njih.

Atomska, delna in molekularna

Nuklearna magnetna resonanca (NMR) je ime, opredeljeno s pojavom fizične resonance, povezanim z opazovanjem posebnih kvantno-mehanskih magnetnih lastnosti atomskega jedra, če je prisotno zunanje magnetno polje. Številne znanstvene metode uporabljajo NMR pojave za proučevanje molekularne fizike, kristalov in nekristalnih materialov. NMR se pogosto uporablja tudi v sodobnih medicinskih slikarskih tehnikah, kot je slikanje z magnetno resonanco (MRI).

Koristi in škode resonance

Da bi lahko sklepali o prednostih in slabostih resonance, je treba razmisliti, v katerih primerih se lahko najbolj aktivno in opazno manifestira pri človeški dejavnosti.

Pozitiven učinek

Pojav odziva se široko uporablja v znanosti in tehnologiji . Delo številnih radijskih vezij in naprav na primer temelji na tem pojavu.

  • Dvotaktni motor. Glušnik dvotaktnega motorja ima posebno obliko, zasnovano za ustvarjanje resonančnega pojava. Izboljša delovanje motorja z zmanjšanjem porabe in onesnaževanja. Ta resonanca delno zmanjša zgorele pline in poveča stiskanje v jeklenki.
  • Glasbila V primeru godal in pihalnih instrumentov pride do zvoka predvsem takrat, ko se oscilatorni sistem (godala, stolpci zraka) vzbudi pred pojavom resonance.
  • Radijski sprejemniki. Vsaka radijska postaja oddaja elektromagnetno valovanje z jasno določeno frekvenco. Da bi ga zajel, je vezje RLC prisiljeno vibrirati z anteno, ki zajame vse elektromagnetne valove, ki dosežejo. Za poslušanje ene postaje je treba naravno frekvenco vezja RLC prilagoditi na frekvenco želenega oddajnika s spreminjanjem kapacitivnosti spremenljivega kondenzatorja (postopek se izvaja s pritiskom na gumb za iskanje postaje). Vsi radijski komunikacijski sistemi, bodisi oddajniki ali sprejemniki, uporabljajo resonatorje za "filtriranje" frekvenc signalov, ki jih obdelujejo.
  • Magnetnoresonančna slika (MRI). Leta 1946 sta dva Američana Felix Bloch in Edward Mills Purcell neodvisno odkrila pojav jedrske magnetne resonance, imenovan tudi NMR, ki jim je prinesel Nobelovo nagrado za fiziko.

Negativni vpliv

Vendar pojav ni vedno uporaben . Pogosto najdete povezave do primerov, ko so se montirani mostovi zlomili, ko so vojaki šli po njih "v nogo". V tem primeru se sklicuje na manifestacijo resonančnega učinka vpliva resonance in boj proti njej postane obsežen.

  • Motorni prevoz. Motoriste pogosto moti hrup, ki se pojavi pri določeni hitrosti vozila ali kot posledica delovanja motorja. Nekateri slabo zaobljeni deli telesa odmevajo in oddajajo zvočne vibracije. Sam avtomobil s svojim sistemom vzmetenja je oscilator, opremljen z učinkovitimi amortizerji, ki preprečujejo pojav akutne resonance.
  • Mostovi. Most lahko izvaja navpične in bočne vibracije. Vsaka od teh nihanj ima svoje obdobje. Če so obese obešene, ima sistem zelo drugačno resonančno frekvenco.
  • Stavbe. Visoke zgradbe so dovzetne za potrese. Nekatere pasivne naprave jih lahko zaščitijo: so oscilatorji, katerih naravna frekvenca je blizu frekvenci same zgradbe. Tako nihalo v celoti absorbira energijo, kar preprečuje uničenje zgradbe.

Resonančna resonanca

Toda kljub včasih usodnim posledicam učinka odziva, se je proti njemu povsem mogoče in potrebno boriti. Da bi se izognili neželenemu pojavu tega pojava, se običajno uporabljata dve metodi za sočasno uporabo resonance in boj proti njemu:

  1. Obstaja "odklop" frekvenc, kar bo, če sovpadlo, povzročilo nezaželene posledice. Če želite to narediti, povečajte trenje različnih mehanizmov ali spremenite naravno frekvenco nihanj sistema.
  2. Povečajte dušenje tresljajev, na primer motor namestite na gumijasto oblogo ali vzmeti.

Kategorija:

Tehnologija