Fenomenul rezonanței și apariția acestuia. Exemple de rezonanță în mecanică, acustică, circuite electrice și atomi de molecule

Fenomenul de rezonanță ar trebui înțeles ca o creștere instantanee a magnitudinii amplitudinii vibrației unui obiect sub influența unei surse externe de energie cu o acțiune periodică cu o valoare de frecvență similară.

În acest articol, vom lua în considerare natura apariției rezonanței folosind exemplul unui pendul mecanic (matematic), al unui circuit oscilator electric și al unui rezonator magnetic nuclear. Pentru a face mai ușoară prezentarea proceselor fizice, articolul este însoțit de numeroase casete sub formă de exemple practice. Scopul articolului este de a explica la nivel primitiv fenomenul rezonanței în diferite zone ale apariției sale fără formule matematice.

Fenomenul rezonanței și apariția acestuia

Vibrațiile mecanice ale pendulului

Cel mai simplu model care poate arăta clar oscilații este cel mai simplu pendul, sau mai degrabă un pendul matematic. Oscilațiile sunt împărțite în libere și forțate. Energia care acționează inițial asupra pendulului oferă oscilații libere în corp, fără prezența unei surse externe de energie variabilă de impact. Această energie poate fi atât cinetică, cât și potențială.

Nu contează cât de mult leagănă sau nu pendulul în sine - timpul petrecut pentru a-și parcurge calea în direcțiile înainte și înapoi rămâne neschimbat. Pentru a evita neînțelegerile cu amortizarea oscilațiilor datorate fricțiunii împotriva aerului, merită subliniat faptul că pentru oscilațiile libere trebuie îndeplinite condițiile pentru revenirea pendulului la punctul de echilibru și absența fricțiunii.

Dar frecvența, la rândul ei, depinde direct de lungimea firului pendulului. Cu cât firul este mai scurt, cu atât este mai mare frecvența și invers.

Frecvența naturală rezultată a corpului sub influența forței aplicate inițial se numește frecvență de rezonanță.

Vibrațiile mecanice ale pendulului

Toate corpurile, care sunt inerente vibrațiilor, le realizează cu o frecvență dată. Pentru a menține vibrațiile neamortizate în corp, este necesar să se asigure o „reîncărcare” constantă a energiei periodice. Acest lucru se realizează prin acțiunea unei forțe constante cu o anumită perioadă într-un ciclu simultan de oscilații ale corpului. Astfel, vibrațiile care apar în corp sub acțiunea unei forțe periodice din exterior sunt numite forțate.

La un moment dat în influențele externe, are loc un salt ascuțit al amplitudinii. Acest efect apare dacă perioadele de vibrații interne ale corpului coincid cu perioadele forței externe și se numește rezonanță. Pentru apariția rezonanței, sunt suficiente valori destul de mici ale surselor externe de influență, dar cu condiția obligatorie a repetării în timp. Bineînțeles, în calculele reale în condiții terestre, nu trebuie uitat despre acțiunea forțelor de frecare și a rezistenței aerului pe suprafața corpului.

Exemple simple de rezonanță din viață

Să începem cu un exemplu de apariție a unei rezonanțe pe care am întâlnit-o fiecare dintre noi - acesta este un leagăn obișnuit pe un loc de joacă.

Rezonanță swing

Într-o situație cu leagănul unui copil, în momentul în care mâna aplică forță la trecerea unuia dintre cele două puncte cele mai înalte simetrice, are loc un salt de amplitudine cu o creștere corespunzătoare a energiei vibraționale. În viața de zi cu zi, iubitorii de voce puteau observa fenomenul rezonanței în baie.

Sunet rezonant acustic atunci când cânți în baie

Fiecare dintre cântăreții din baie din faianță trebuie să fi observat cum se schimbă sunetul. Undele sonore care se reflectă pe plăcile din spațiul închis al băii devin mai puternice și mai lungi. Dar nu toate notele cântecului vocalistului sunt supuse acestui efect, ci doar cele care rezonează într-o singură măsură cu frecvența rezonantă a sunetului aerului.

Pentru fiecare dintre cazurile de mai sus de apariție a rezonanței, există o energie excitantă externă: în cazul unui leagăn, o împingere elementară de mână, care coincide cu faza de leagăn a leagănului și, în cazul unui efect acustic în baie, vocea unei persoane ale cărei frecvențe individuale coincid cu anumite frecvențe de aer.

Glass Sound Resonance - O experiență acasă

Această experiență se poate face acasă. Este necesară o sticlă de cristal și o cameră închisă fără zgomot străin pentru o percepție sensibilă a efectului acustic. Mutați degetul umezit cu apă de-a lungul marginii paharului cu accelerații periodice „rupte”. În procesul unor astfel de mișcări, puteți observa apariția unui sunet. Acest efect apare ca urmare a transferului de energie de mișcare, a cărui frecvență de vibrații coincide cu frecvența naturală de vibrație a sticlei.

În videoclip, autorul videoclipului mișcă un deget udat cu o viteză uniformă în jurul circumferinței unui pahar pe jumătate umplut cu apă. Există un efect de „sticlă cântătoare”.

Distrugerea podului datorită rezonanței - Cazul podului Tacoma

Toți cei care au slujit în armată își amintesc cum, când formația a trecut peste pod, comandamentul a sunat de la comandant: „Pleacă în pas!” De ce a fost imposibil să treci în formație pe pod „în pas”? Se pare că, atunci când treceți formația peste pod în timp ce ridicați simultan piciorul îndreptat până la nivelul genunchiului, soldații coborâu singurul plan într-o singură bătaie cu un efort care este însoțit de o palmă caracteristică.

Pasul personalului militar fuzionează într-un singur pas, creând o energie bruscă externă aplicată pentru pod cu o anumită cantitate de vibrații. Dacă frecvența naturală a oscilațiilor podului coincide cu oscilația pasului soldaților "în picior" - va apărea rezonanță, a cărei energie poate duce la efecte distructive ale structurii podului.

Deși cazurile de distrugere completă a podului nu au fost înregistrate în timpul trecerii soldaților „la pas”, însă este mai faimos cazul distrugerii podului Tacoma peste strâmtoarea Tacoma Narrows din Washington, SUA în 1940.

Unul dintre motivele cauzelor probabile de distrugere este rezonanța mecanică, care a apărut datorită coincidenței frecvenței fluxului de vânt cu frecvența naturală internă a podului.

Rezonanța curentului în circuitele electrice

Dacă în mecanică fenomenul rezonanței poate fi explicat relativ simplu, în electricitate totul nu poate fi explicat pe de o parte. Cunoașterea de bază a fizicii electricității este necesară pentru înțelegere. Rezonanța creată într-un circuit electric poate apărea dacă există un circuit oscilant. Ce elemente sunt necesare pentru a crea un circuit oscilant într-o rețea electrică? În primul rând, circuitul trebuie conectat la o sursă de energie electrică.

În rețeaua electrică, cel mai simplu circuit oscilator este format dintr-un condensator și un inductor.

Un condensator format din două plăci metalice în interior separate de izolatori dielectric este capabil să stocheze energie electrică. O bobină de inductanță realizată sub formă de spirale ale unui conductor de electricitate are o proprietate similară.

Interconectarea condensatorului și a inductorului din rețeaua electrică care formează circuitul oscilator poate fi fie paralelă, fie în serie. În următorul tutorial video, pentru a demonstra rezonanța, este dat un exemplu de metodă de activare secvențială.

Oscilațiile curentului electric din interiorul circuitului au loc sub influența unei surse externe de electricitate. Cu toate acestea, nu toate semnalele primite, sau mai degrabă frecvențele sale, servesc ca sursă de rezonanță, ci doar cele a căror frecvență coincide cu frecvența de rezonanță a circuitului. Restul, care nu participă la proces, sunt suprimate în fluxul general de semnal. Este posibil să reglați frecvența de rezonanță prin schimbarea valorilor capacității condensatorului și a inductanței bobinei.

Revenind la fizica rezonanței în vibrațiile mecanice, se pronunță în special la valori minime ale forțelor de frecare. Indicele de frecare este comparat în circuitul electric cu rezistența, o creștere care duce la încălzirea conductorului ca urmare a conversiei energiei electrice în energie internă a conductorului. Prin urmare, ca și în cazul mecanicii, rezonanța într-un circuit electric oscilator este clar exprimată la o rezistență activă scăzută.

Un exemplu de rezonanță electrică în procesul de reglare a receptoarelor TV și radio

Spre deosebire de rezonanța din mecanică, care poate afecta negativ materialele structurilor până la distrugere, în scopuri electrice este utilizată cu putere și principală într-un scop funcțional util. Un exemplu de aplicație este reglarea programelor TV și radio în receptoare.

Undele radio cu frecvența adecvată ajung la antenele receptoare și provoacă mici vibrații electrice. Mai mult, semnalul, inclusiv întregul grup de programe de difuzare, intră în amplificator. Reglat la o anumită frecvență în conformitate cu valoarea capacității reglabile a condensatorului, circuitul oscilant primește doar semnalul a cărui frecvență coincide cu propria sa.

Un receptor oscilant este instalat în receptorul radio. Pentru a regla stația, rotiți mânerul condensatorului variabil, schimbând poziția plăcilor sale și, în consecință, schimbând frecvența de rezonanță a circuitului.

Buton de reglare radio ca exemplu de circuit oscilator

Amintiți-vă de radioul analogic „Ocean” din vremurile URSS, butonul de reglare a canalului în care nu există altceva decât un controler de schimbare a condensatorului, a cărui poziție modifică frecvența de rezonanță a circuitului.

Rezonanță magnetică nucleară

Anumite tipuri de atomi conțin nuclee care pot fi comparate cu magneții miniaturali. Sub influența unui câmp magnetic extern puternic, nucleii atomici își schimbă orientarea în conformitate cu poziția relativă a propriului câmp magnetic în raport cu cel extern. Un impuls extern electromagnetic puternic este absorbit de atom, în urma căruia are loc reorientarea sa. De îndată ce sursa impulsului încetează să acționeze, nucleele revin la pozițiile lor inițiale.

Nucleii, în funcție de apartenența lor la un anumit atom, sunt capabili să primească energie într-un anumit interval de frecvență. Schimbarea poziției nucleului are loc într-un singur pas cu oscilațiile externe ale câmpului electromagnetic, care este motivul apariției așa-numitei rezonanțe magnetice nucleare (prescurtat ca RMN). În lumea științifică, acest tip de rezonanță este utilizat pentru a studia legăturile atomice din cadrul moleculelor complexe. Metoda de imagistică prin rezonanță magnetică (MR) utilizată în medicină vă permite să afișați rezultatele scanării organelor umane interne pe ecran pentru diagnostic și tratament.

Imagistica prin rezonanță magnetică în medicină

Câmpul magnetic al scanerului OMR, format cu ajutorul inductoarelor, creează radiații de înaltă frecvență sub influența cărora nucleii atomilor de hidrogen își schimbă orientarea, cu condiția ca frecvențele lor naturale să coincidă cu cea externă. Ca urmare a datelor primite de la senzori, pe monitor se formează o imagine grafică.

Dacă comparăm metodele RMN și OMP în ceea ce privește efectul negativ al radiației asupra corpului uman, scanarea cu un rezonator magnetic nuclear este mai puțin dăunătoare decât OMP. De asemenea, în studiul țesuturilor moi, tehnologia RMN a arătat o mare eficiență în reflectarea detaliilor zonei țesutului investigat.

Ce este spectrografia

Conexiunea reciprocă dintre atomii dintr-o moleculă nu este strict rigidă și, atunci când se schimbă, molecula intră într-o stare de vibrație. Frecvența vibrațiilor legăturilor reciproce ale atomilor modifică frecvența de rezonanță a moleculelor în consecință. Cu ajutorul radiației undelor electromagnetice din spectrul IR, este posibil să se inducă vibrațiile de mai sus ale legăturilor atomice. Această metodă, numită spectrografie în infraroșu, este utilizată în laboratoarele științifice pentru a studia compoziția materialului studiat.

Copyright © | 2021