Определението на понятието резонанс (отговор) във физиката е възложено на специални техници, които притежават статистически графики, които често срещат това явление. Днес резонансът е честотен селективен отговор, при който вибрационна система или рязко увеличение на външната сила принуждава друга система да се колебае с по-голяма амплитуда при определени честоти.

Принцип на работа

Това явление се наблюдава, когато една система е в състояние да съхранява и лесно прехвърля енергия между два или повече различни режима на съхранение, като кинетична и потенциална енергия. Има обаче някои загуби от цикъл в цикъл, наречени затихване. Когато затихването е пренебрежимо малко, резонансната честота е приблизително равна на естествената честота на системата, която е честотата на непредвидени трептения.

Тези явления се срещат при всички видове трептения или вълни: механични, акустични, електромагнитни, ядрено-магнитни (ЯМР), спинове на електрон (ЕПР) и резонанс на квантовите вълнови функции. Такива системи могат да се използват за генериране на вибрации с определена честота (например музикални инструменти).

Терминът "резонанс" (от латинското resonantia, "ехо") идва от областта на акустиката, особено наблюдавана в музикални инструменти, например, когато струните започват да вибрират и възпроизвеждат звук без пряко влияние на играча.

Примери за резонанс в живота

Натискането на човек върху люлка е често срещан пример за това явление. Заредено люлеене, махалото има своя собствена честота на трептене и резонансна честота, която устоява на натискането по-бързо или по-бавно.

Пример е трептенето на черупките в детска площадка, която действа като махало. Натискането на човек по време на люлка с естествен интервал на трептене води до факта, че замахът върви все по-високо и по-високо (максимална амплитуда), докато опитите за люлеене с по-бърз или по-бавен темп създават по-малки дъги. Това се дължи на факта, че енергията, погълната от вибрациите, се увеличава, когато ударите съответстват на естествените вибрации.

Отговорът е широко открит в природата и се използва в много изкуствени устройства. Това е механизмът, чрез който се генерират почти всички синусоиди и вибрации. Много звуци, които чуваме, например, когато се ударят твърди предмети, изработени от метал, стъкло или дърво, са причинени от къси вибрации в обекта. Светлинното и друго късоволно електромагнитно излъчване се генерира чрез резонанс в атомна скала, като електрони в атоми. Други условия, при които могат да се прилагат полезните свойства на това явление:

  • Механизмите за синхронизация на съвременните часовници, балансиращото колело в механичен часовник и кварцов кристал в часовник.
  • Отливният отговор на Фунди Бей.
  • Акустични резонанси на музикални инструменти и човешкия вокален тракт.
  • Унищожаването на кристална чаша под въздействието на музикален десен тон.
  • Фрикционните идиофони, като например правенето на стъклен предмет (стъкло, бутилка, ваза), вибрират, когато се търкат около ръба му с върха на пръста си.
  • Електрическият отговор на настроени вериги в радиостанции и телевизори, които избирателно приемат радиочестоти.
  • Създаване на кохерентна светлина чрез оптичен резонанс в лазерна кухина.
  • Орбиталният отговор, пример за който са някои луни от газовите гиганти на Слънчевата система.

Материалните резонанси в атомна скала са в основата на няколко спектроскопични метода, които се използват във физиката на кондензираните вещества, например:

  • Електронно въртене.
  • Ефект на Мосбауер.
  • Ядрено-магнитен.

Видове феномени

В описанието на резонанса Галилей просто обърна внимание на най-същественото - способността на механично осцилираща система (тежко махало) да акумулира енергия, която се доставя от външен източник с определена честота. Проявите на резонанс имат определени характеристики в различни системи и поради това отличават различните му видове.

Механичен и акустичен

Механичният резонанс е тенденцията на механичната система да абсорбира повече енергия, когато нейната честота съответства на естествената честота на вибрациите на системата. Това може да доведе до силни колебания в движението и дори до катастрофална повреда в незавършени конструкции, включително мостове, сгради, влакове и самолети. При проектирането на съоръженията инженерите трябва да гарантират, че механичните резонансни честоти на компонентите не съответстват на вибрационните честоти на двигателите или други колебателни части, за да се избегнат явленията, известни като резонансно бедствие.

Електрически резонанс

Той възниква в електрическа верига с определена резонансна честота, когато импедансът на веригата е минимален в серия верига или максимум в паралелна верига. Резонансът в схемите се използва за предаване и получаване на безжични комуникации, като телевизия, клетъчна или радио.

Оптичен резонанс

Оптичната кухина, наричана още оптичен резонатор, е специална подредба на огледала, която образува стоящ вълнен резонатор за светлинни вълни . Оптичните кухини са основният компонент на лазерите, обграждащи усилващата среда и осигуряващи обратна връзка на лазерното излъчване. Те се използват и в оптични параметрични осцилатори и някои интерферометри.

Ограничена в кухината светлина многократно възпроизвежда стоящи вълни за определени резонансни честоти. Получените модели на стояща вълна се наричат ​​„режими“. Надлъжните режими се различават само по честота, докато напречните режими се различават за различни честоти и имат различни модели на интензивност в напречното сечение на лъча. Пръстенните резонатори и шепнещите галерии са примери за оптични резонатори, които не образуват стоящи вълни.

Орбитални вибрации

В космическата механика орбитален отговор възниква, когато две орбитални тела оказват редовно, периодично гравитационно въздействие едно върху друго. Това обикновено се дължи на факта, че орбиталните им периоди са свързани от съотношението на две малки числа. Орбиталните резонанси значително засилват взаимното гравитационно влияние на телата. В повечето случаи това води до нестабилно взаимодействие, при което телата обменят инерция и изместване, докато резонансът вече не съществува.

При някои обстоятелства резонансната система може да бъде стабилна и самокорегираща, така че телата да останат в резонанс. Примери са лунният резонанс 1: 2: 4 на Юпитер Ганимед, Европа и Йоо и 2: 3 резонансът между Плутон и Нептун. Нестабилните резонанси с вътрешните луни на Сатурн пораждат пропуски в пръстените на Сатурн. Специален случай на 1: 1 резонанс (между тела с подобни орбитални радиуси) принуждава големите тела на Слънчевата система да почистват околната среда около орбитите си, изтласквайки почти всичко останало около тях.

Атомни, частични и молекулярни

Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) е наименование, дефинирано от физически резонансен феномен, свързан с наблюдението на специфични квантово-механични магнитни свойства на атомно ядро, ако има външно магнитно поле. Много научни методи използват ЯМР феномени за изучаване на молекулярна физика, кристали и некристални материали. ЯМР също често се използва в съвременни медицински техники за образна диагностика, като магнитен резонанс (ЯМР).

Ползите и вредите от резонанса

За да се направи заключение за плюсовете и минусите на резонанса, е необходимо да се обмисли в какви случаи той може да се прояви най-активно и осезаемо за човешката дейност.

Положителен ефект

Феноменът на реакцията се използва широко в науката и технологиите . Например работата на много радио вериги и устройства се основава на това явление.

  • Двутактов двигател. Заглушителят на двутактов двигател има специална форма, проектирана да създава резонансно явление. Подобрява работата на двигателя чрез намаляване на консумацията и замърсяването. Този резонанс частично намалява неизгорелите газове и увеличава компресията в цилиндъра.
  • Музикални инструменти В случай на струни и духови инструменти, производството на звук се случва главно, когато осцилационната система (струни, колони от въздух) се възбужда преди появата на резонанс.
  • Радиостанции. Всяка радиостанция излъчва електромагнитна вълна с ясно определена честота. За да го заснеме, веригата RLC е принудена да вибрира с антена, която улавя всички електромагнитни вълни, достигащи до нея. За да слушате една станция, естествената честота на веригата RLC трябва да бъде настроена на честотата на желания предавател чрез промяна на капацитета на променливия кондензатор (операцията се извършва чрез натискане на бутона за търсене на станция). Всички радиокомуникационни системи, независимо дали предаватели или приемници, използват резонатори, за да „филтрират“ честотите на сигналите, които обработват.
  • Магнитно-резонансно изображение (ЯМР). През 1946 г. двама американци Феликс Блок и Едуард Милс Пърсел независимо откриха феномена на ядрено-магнитен резонанс, наречен още ЯМР, който им донесе Нобеловата награда по физика.

Отрицателно въздействие

Феноменът обаче не винаги е полезен . Често можете да намерите връзки към случаите, когато монтираните мостове се счупват, когато войниците минават покрай тях „в подножието“. В този случай се прави позоваване на проявата на резонансния ефект от влиянието на резонанса и борбата срещу него става мащабна.

  • Автомобилен транспорт. Мотористите често се дразнят от шума, който се появява при определена скорост на превозното средство или в резултат на работата на двигателя. Някои слабо заоблени части на тялото резонират и излъчват звукови вибрации. Самата кола със своята система за окачване е осцилатор, оборудван с ефективни амортисьори, които предотвратяват появата на остър резонанс.
  • Мостове. Мостът може да изпълнява вертикални и странични вибрации. Всеки от тези видове трептения има свой период. Ако прашките са окачени, системата има много различна резонансна честота.
  • Сграда. Високите сгради са податливи на земетресения. Някои пасивни устройства могат да ги защитят: те са осцилатори, чиято естествена честота е близка до честотата на самата сграда. Така енергията се абсорбира напълно от махалото, което предотвратява разрушаването на сградата.

Резонансен резонанс

Но въпреки понякога фаталните последици от ефекта на реакция, е напълно възможно и необходимо да се бори с него. За да се избегне нежеланото появяване на това явление, обикновено се използват два метода за едновременно прилагане на резонанс и борба с него:

  1. Има „изключване“ на честотите, което, ако съвпадне, ще доведе до нежелани последици. За да направите това, увеличете триенето на различни механизми или променете естествената честота на трептенията на системата.
  2. Увеличете затихването на вибрациите, например, поставете двигателя върху гумена облицовка или пружини.

Категория:

На технологиите