Визначення поняття резонансу (відгуку) у фізиці покладається на спеціальних техніків, які мають графіками статистики, часто стикаються з цим явищем. На сьогоднішній день резонанс являє собою частотно-виборчий відгук, де вібраційна система або різке зростання зовнішньої сили змушує іншу систему осциллировать з більшою амплітудою на певних частотах.

Принцип дії

Це явище спостерігається, коли система здатна зберігати і легко переносити енергію між двома або більше різними режимами зберігання, такими як кінетична і потенційна енергія. Однак є деякі втрати від циклу до циклу, звані загасанням. Коли загасання незначно, резонансна частота приблизно дорівнює власній частоті системи, яка являє собою частоту невимушених коливань.

Ці явища відбуваються з усіма типами коливань або хвиль: механічні, акустичні, електромагнітні, ядерні магнітні (ЯМР), електронні спінові (ЕПР) і резонанс квантових хвильових функцій. Такі системи можуть використовуватися для генерації вібрацій певної частоти (наприклад, музичних інструментів).

Термін «резонанс» (від латинської resonantia, «відлуння») походить від поля акустики, особливо спостережуваного в музичних інструментах, наприклад, коли струни починають вібрувати і відтворювати звук без прямого впливу гравцем.

Приклади резонансу в життя

Поштовх людини на гойдалках є поширеним прикладом цього явища. Завантажені гойдалки, маятник мають власну частоту коливань і резонансну частоту, яка чинить опір штовхання швидше або повільніше.

Прикладом є коливання снарядів на дитячому майданчику, який діє як маятник. Натискання людини під час гойдання з природним інтервалом коливання призводить до того, що гойдалки йдуть все вище і вище (максимальна амплітуда), в той час як спроби робити хитання з більш швидким або повільним темпом створюють менші дуги. Це пов'язано з тим, що енергія, що поглинається коливаннями, збільшується, коли поштовхи відповідають природним коливанням.

Відгук широко зустрічається в природі і використовується в багатьох штучних пристроях. Це механізм, за допомогою якого генеруються практично всі синусоїдальні хвилі і вібрації. Багато звуки, які ми чуємо, наприклад, коли вдаряються жорсткі предмети з металу, скла або дерева, викликані короткими коливаннями в об'єкті. Легке і інше короткохвильове електромагнітне випромінювання створюється резонансом в атомному масштабі, таким як електрони в атомах. Інші умови, в яких можуть застосовуватися корисні властивості цього явища:

  • Механізми хронометражу сучасних годин, колесо балансу в механічному годиннику і кварцовий кристал в годиннику.
  • Приливної відгук затоки Фанді.
  • Акустичні резонанси музичних інструментів і людського голосового тракту.
  • Руйнування кришталевого келиха під впливом музичного правого тони.
  • Фрикційні ідіофони, такі як виготовлення скляного предмета (скла, пляшки, вази), вібрують, при потирання навколо його краю кінчиком пальця.
  • Електричний відгук налаштованих схем в радіостанціях і телевізорах, які дозволяють вибірково приймати радіочастоти.
  • Створення когерентного світла оптичним резонансом в лазерної порожнини.
  • Орбітальний відгук, прикладом якого є деякі місяця газових гігантів Сонячної системи.

Матеріальні резонанси в атомному масштабі є основою кількох спектроскопических методів, які використовуються у фізиці конденсованих середовищ, наприклад:

  • Електронний спінової.
  • Ефект Мессбауера.
  • Ядерний магнітний.

типи явища

В описі резонансу Г. Галілей якраз звернув увагу на найістотніше - на здатність механічної коливальної системи (важкого маятника) накопичувати енергію, яка підводиться від зовнішнього джерела з певною частотою. Прояви резонансу мають певні особливості в різних системах і тому виділяють різні його типи.

Механічний і акустичний

Механічний резонанс - це тенденція механічної системи поглинати більше енергії, коли частота її коливань відповідає власній частоті вібрації системи. Це може привести до значних коливань руху і навіть катастрофічного провалу в недобудованих конструкціях, включаючи мости, будівлі, поїзди і літаки. При проектуванні об'єктів інженери повинні забезпечити безпеку, щоб механічні резонансні частоти складових частин не відповідали коливальним частотам двигунів або інших коливальних частин щоб уникнути явищ, відомих як резонансне лихо.

електричний резонанс

Виникає в електричному ланцюзі на певній резонансної частоті, коли імпеданс схеми мінімальний в послідовному ланцюзі або максимум в паралельному контурі. Резонанс в схемах використовується для передачі і прийому бездротового зв'язку, такий як телебачення, стільниковий або радіозв'язок.

оптичний резонанс

Оптична порожнину, також звана оптичним резонатором, являє собою особливу прихильність дзеркал, яке утворює резонатор стоячій хвилі для світлових хвиль. Оптичні порожнини є основним компонентом лазерів, що оточують середу посилення і забезпечують зворотний зв'язок лазерного випромінювання. Вони також використовуються в оптичних параметричних генераторах і деяких інтерферометрах.

Світло, обмежений в порожнині, багаторазово відтворює стоячі хвилі для певних резонансних частот. Отримані патерни стоячій хвилі називаються «режимами». Поздовжні моди відрізняються тільки частотою, в той час як поперечні розрізняються для різних частот і мають різні малюнки інтенсивності поперек перетину пучка. Кільцеві резонатори і шепочуть галереї є прикладами оптичних резонаторів, які не утворюють стоячих хвиль.

орбітальні коливання

В космічній механіці виникає орбітальний відгук, коли два орбітальних тіла надають регулярне, періодичне гравітаційний вплив один на одного. Зазвичай це відбувається через те, що їх орбітальні періоди пов'язані ставленням двох невеликих цілих чисел. Орбітальні резонанси значно посилюють взаємне гравітаційний вплив тел. У більшості випадків це призводить до нестабільного взаємодії, в якому тіла обмінюються імпульсом і зміщенням, поки резонанс більше не існує.

При деяких обставинах резонансна система може бути стійкою і самокорегуюча, щоб тіла залишалися в резонансі. Прикладами є резонанс 1: 2: 4 місяців Юпітера Ганімед, Європа і Іо і резонанс 2: 3 між Плутоном і Нептуном. Нестійкі резонанси з внутрішніми місяцями Сатурна породжують щілини в кільцях Сатурна. Окремий випадок резонансу 1: 1 (між тілами з аналогічними орбітальними радіусами) змушує великі тіла Сонячної системи очищати околиці навколо своїх орбіт, виштовхуючи майже все інше навколо них.

Атомний, частковий і молекулярний

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) - це ім'я, яке визначається фізичним резонансним явищем, пов'язаним з наглядом конкретних квантовомеханических магнітних властивостей атомного ядра, якщо присутній зовнішнє магнітне поле. Багато наукові методи використовують ЯМР-феномени для вивчення молекулярної фізики, кристалів і некристалічних матеріалів. ЯМР також зазвичай використовується в сучасних медичних методах візуалізації, таких як магнітно-резонансна томографія (МРТ).

Користь і шкода резонансу

Для того щоб зробити якийсь висновок про плюси і мінуси резонансу, необхідно розглянути, в яких випадках він може проявлятися найбільш активно і помітно для людської діяльності.

позитивний ефект

Явище відгуку широко використовується в науці і техніці. Наприклад, робота багатьох радіотехнічних схем і пристроїв грунтується на цьому явищі.

  • Двотактний двигун. Глушник двотактного двигуна має особливу форму, розраховану на створення резонансного явища. Воно покращує роботу двигуна зарахунок зниження споживання і забруднення. Цей резонанс частково зменшує незгорілі гази і збільшує стиснення в циліндрі.
  • Музичні інструменти. У разі струнних та духових інструментів звукове виробництво відбувається в основному при порушенні коливальні системи (струни, колони повітря) до виникнення явища резонансу.
  • Радіоприймачі. Кожна радіостанція випромінює електромагнітну хвилю з чітко визначеною частотою. Для його захоплення ланцюг RLC примусово піддається вібрації за допомогою антени, яка захоплює все електромагнітні хвилі, що досягають її. Для прослуховування однієї станції власна частота RLC-схеми повинна бути налаштована на частоту необхідного передавача, змінюючи ємність змінного конденсатора (операція виконується при натисканні кнопки пошуку станції). Всі системи радіозв'язку, будь то передавачі або приймачі, використовують резонатори для «фільтрації» частот сигналів, які вони обробляють.
  • Магнітно-резонансна томографія (МРТ). У 1946 році два американця Фелікс Блох і Едвард Міллс Перселл самостійно виявили явище ядерного магнітного резонансу, також зване ЯМР, яке принесло їм Нобелівську премію з фізики.

негативний вплив

Однак не завжди явище корисно. Часто можна зустріти посилання на випадки, коли навісні мости ламалися при проходженні по ним солдат «в ногу». При цьому посилаються на прояв резонансного ефекту впливу резонансу, і боротьба з ним набуває масштабного характеру.

  • Автотранспорт. Автомобілісти часто дратуються шумом, який з'являється при певній швидкості руху транспортного засобу або в результаті роботи двигуна. Деякі слабо закруглені частини корпусу вступають в резонанс і випромінюють звукові коливання. Сам автомобіль з його системою підвіски є осцилятор, оснащений ефективними амортизаторами, які перешкоджають виникненню гострого резонансу.
  • Мости. Міст може виконувати вертикальні і поперечні коливання. Кожен з цих типів коливань має свій період. Якщо стропи підвішені, система має дуже різну резонансну частоту.
  • Будинки. Високі будівлі чутливі до землетрусів. Деякі пасивні пристрої дозволяють захистити їх: вони є осцилляторами, чия власна частота близька до частоти самої будівлі. Таким чином, енергія повністю поглинається маятником, що перешкоджає руйнуванню будівлі.

Боротьба з резонансом

Але незважаючи на іноді згубні наслідки ефекту відгуку з ним цілком можна і потрібно боротися. Щоб уникнути небажаного виникнення цього явища, зазвичай використовують два способи одночасного застосування резонансу і боротьби з ним:

  1. Проводиться «роз'єднання» частот, які в разі збігу приведуть до небажаних наслідків. Для цього підвищують тертя різних механізмів або змінюють власну частоту коливань системи.
  2. Збільшують загасання коливань, наприклад, ставлять двигун на гумову підкладку або пружини.

Категорія:

Технології