Definícia pojmu rezonancia (reakcia) vo fyzike je priradená špeciálnym technikom, ktorí majú štatistické grafy, ktoré sa často stretávajú s týmto javom. Rezonancia je dnes frekvenčne selektívna reakcia, pri ktorej vibračný systém alebo prudký nárast vonkajšej sily núti iný systém kmitať s väčšou amplitúdou pri určitých frekvenciách.

Princíp činnosti

Tento jav sa pozoruje, keď je systém schopný ukladať a ľahko prenášať energiu medzi dvoma alebo viacerými rôznymi režimami ukladania, ako je kinetická a potenciálna energia. Existujú však určité straty z cyklu na cyklus, nazývané útlm. Ak je útlm zanedbateľný, rezonančná frekvencia je približne rovnaká ako prirodzená frekvencia systému, čo je frekvencia nevynútených kmitov.

Tieto javy sa vyskytujú so všetkými typmi kmitov alebo vĺn: mechanické, akustické, elektromagnetické, nukleárne magnetické (NMR), elektrónové spin (EPR) a rezonancia kvantových vlnových funkcií. Takéto systémy sa môžu použiť na generovanie vibrácií určitej frekvencie (napríklad hudobné nástroje).

Termín „rezonancia“ (z latinskej rezonancie, „echo“) pochádza z oblasti akustiky, najmä v hudobných nástrojoch, napríklad keď struny začínajú vibrovať a reprodukovať zvuk bez priameho vplyvu hráča.

Príklady rezonancie v živote

Bežným príkladom tohto javu je tlačenie osoby na hojdačke . Zaťažené kyvadlo má kyvadlo svoju vlastnú kmitočet kmitania a rezonančnú frekvenciu, ktorá odoláva tlačeniu rýchlejšie alebo pomalšie.

Príkladom je kolísanie škrupín na ihrisku, ktoré funguje ako kyvadlo. Stlačenie osoby počas výkyvu s prirodzeným intervalom kmitania vedie k tomu, že výkyv ide vyššie a vyššie (maximálna amplitúda), zatiaľ čo pokus o točenie rýchlejšie alebo pomalšie vytvára menšie oblúky. Je to spôsobené skutočnosťou, že energia absorbovaná vibráciami sa zvyšuje, keď nárazy zodpovedajú prirodzeným vibráciám.

Reakcia sa v prírode často vyskytuje a používa sa v mnohých umelých pomôckach. Toto je mechanizmus, ktorým sa generujú takmer všetky sínusové vlny a vibrácie. Mnohé zvuky, ktoré počujeme napríklad pri náraze tvrdých predmetov vyrobených z kovu, skla alebo dreva, sú spôsobené krátkymi vibráciami v objekte. Svetlo a iné krátkovlnné elektromagnetické žiarenie je generované rezonanciou v atómovej mierke, ako sú elektróny v atómoch. Ďalšie podmienky, za ktorých možno uplatniť prospešné vlastnosti tohto javu:

  • Mechanizmy časovania moderných hodiniek, vyvažovacie koleso v mechanických hodinkách a kremenný kryštál v hodinkách.
  • Slapová reakcia Fundy Bay.
  • Akustické rezonancie hudobných nástrojov a ľudského hlasového traktu.
  • Deštrukcia krištáľového skla pod vplyvom hudobného pravého tónu.
  • Trikové idiofóny, napríklad výroba skleneného predmetu (sklo, fľaša, váza), vibrujú, keď sa omotávajú okolo jeho okraja končekmi prstov.
  • Elektrická odozva naladených obvodov v rozhlasových staniciach a televízoroch, ktoré selektívne prijímajú rádiové frekvencie.
  • Vytváranie koherentného svetla optickou rezonanciou v laserovej dutine.
  • Okružná reakcia, ktorej príkladom sú niektoré mesiace plynných gigantov slnečnej sústavy.

Rezonancie materiálov v atómovej mierke sú základom niekoľkých spektroskopických metód, ktoré sa používajú vo fyzike kondenzovaných látok, napríklad:

  • Elektronické otáčanie.
  • Mossbauerov efekt.
  • Jadrový magnet.

Druhy javu

V popise rezonancie Galileo práve upozornil na najdôležitejšie - schopnosť mechanického kmitavého systému (ťažké kyvadlo) akumulovať energiu, ktorá sa dodáva z externého zdroja s určitou frekvenciou. Prejavy rezonancie majú určité vlastnosti v rôznych systémoch, a preto rozlišujú jej rôzne typy.

Mechanické a akustické

Mechanická rezonancia je tendencia mechanického systému absorbovať viac energie, keď jeho frekvencia zodpovedá prirodzenej frekvencii vibrácií systému. To môže viesť k vážnym výkyvom pohybu a dokonca k katastrofickému zlyhaniu nedokončených štruktúr vrátane mostov, budov, vlakov a lietadiel. Pri navrhovaní zariadení musia inžinieri zabezpečiť, aby mechanické rezonančné frekvencie komponentov nezodpovedali vibračným frekvenciám motorov alebo iných kmitajúcich častí, aby sa predišlo javom známym ako rezonančné ťažkosti.

Elektrická rezonancia

Vyskytuje sa v elektrickom obvode pri určitej rezonančnej frekvencii, keď je impedancia obvodu minimálna v sériovom obvode alebo maximálna v paralelnom obvode. Rezonancia v obvodoch sa používa na prenos a príjem bezdrôtovej komunikácie, napríklad televízie, celulárneho vysielania alebo rádia.

Optická rezonancia

Optická dutina, tiež nazývaná optický rezonátor, je špeciálne usporiadanie zrkadiel, ktoré tvoria rezonátor stojatých vĺn pre svetelné vlny . Optické dutiny sú hlavnou zložkou laserov obklopujúcich amplifikačné médium a poskytujú spätnú väzbu laserového žiarenia. Používajú sa aj v optických parametrických oscilátoroch a niektorých interferometroch.

Svetlo obmedzené v dutine opakovane reprodukuje stojaté vlny pre určité rezonančné frekvencie. Výsledné vzory stojatých vĺn sa nazývajú „režimy“. Pozdĺžne režimy sa líšia iba frekvenciou, zatiaľ čo priečne režimy sa líšia pre rôzne frekvencie a majú rôzne prierezy intenzity naprieč prierezu lúča. Prstencové rezonátory a šepotové galérie sú príkladmi optických rezonátorov, ktoré netvoria stojaté vlny.

Orbitálne vibrácie

V kozmickej mechanike dochádza k orbitálnej reakcii, keď dve orbitálne telá uplatňujú pravidelný, pravidelný gravitačný účinok na seba. To je zvyčajne spôsobené skutočnosťou, že ich obežné obvody sú spojené pomerom dvoch malých celých čísel. Orbitálne rezonancie významne zvyšujú vzájomný gravitačný vplyv tiel. Vo väčšine prípadov to vedie k nestabilnej interakcii, pri ktorej si telá vymieňajú hybnosť a posun, kým rezonancia už neexistuje.

Za určitých okolností môže byť rezonančný systém stabilný a samoopraviteľný, takže telá zostávajú v rezonancii. Príkladmi sú rezonancia Jupitera Ganymedeho v Európe 1: 2: 4, Európa a Io a rezonancia 2: 3 medzi Plutom a Neptúnom. Nestabilné rezonancie s vnútornými mesiacmi Saturnu spôsobujú medzery v Saturnových krúžkoch. Špeciálny prípad rezonancie 1: 1 (medzi teliesami s podobnými obežnými polomermi) núti veľké telá slnečnej sústavy, aby vyčistili okolie okolo svojich dráh a vytlačili takmer všetko ostatné okolo nich.

Atómové, parciálne a molekulárne

Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) je názov definovaný javom fyzickej rezonancie spojeným s pozorovaním špecifických kvantovo-mechanických magnetických vlastností atómového jadra, ak je prítomné vonkajšie magnetické pole. Mnoho vedeckých metód využíva na štúdium molekulárnej fyziky, kryštálov a nekryštalických materiálov fenomény NMR. NMR sa tiež bežne používa v moderných lekárskych zobrazovacích technikách, ako je napríklad magnetická rezonancia (MRI).

Výhody a poškodenie rezonancie

Aby bolo možné vyvodiť záver o výhodách a nevýhodách rezonancie, je potrebné zvážiť, v ktorých prípadoch sa môže prejaviť najaktívnejšie a najzreteľnejšie pre ľudskú činnosť.

Pozitívny účinok

Fenomén reakcie sa vo vede a technike často používa . Napríklad práca mnohých rádiových obvodov a zariadení je založená na tomto fenoméne.

  • Dvojtaktný motor. Tlmič výfuku dvojtaktného motora má špeciálny tvar určený na vytvorenie rezonančného javu. Zlepšuje výkon motora znížením spotreby a znečistenia. Táto rezonancia čiastočne znižuje nespálené plyny a zvyšuje kompresiu vo valci.
  • Hudobné nástroje V prípade strún a dychových nástrojov dochádza k zvukovej produkcii hlavne vtedy, keď je oscilačný systém (struny, stĺpce vzduchu) vzrušený pred výskytom rezonancie.
  • Rádia. Každá rozhlasová stanica vysiela elektromagnetickú vlnu s jasne definovanou frekvenciou. Na jeho zachytenie je obvod RLC nútený vibrovať s anténou, ktorá zachytáva všetky elektromagnetické vlny, ktoré ho dosahujú. Ak chcete počúvať jednu stanicu, prirodzená frekvencia obvodu RLC musí byť naladená na frekvenciu požadovaného vysielača zmenou kapacity premenného kondenzátora (operácia sa vykonáva stlačením tlačidla vyhľadávania stanice). Všetky rádiokomunikačné systémy, či už vysielače alebo prijímače, používajú rezonátory na „filtrovanie“ frekvencií signálov, ktoré spracúvajú.
  • Zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie (MRI). V roku 1946 dvaja Američania Felix Bloch a Edward Mills Purcell nezávisle objavili fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie, tiež nazývaný NMR, ktorý im priniesol Nobelovu cenu za fyziku.

Negatívny vplyv

Tento jav však nie je vždy užitočný . Často nájdete odkazy na prípady, keď sa namontované mosty zlomili, keď ich vojaci prešli „pešo“. V tomto prípade sa odkazuje na prejav rezonančného účinku vplyvu rezonancie a boj proti nemu sa stáva rozsiahlym.

  • Motorová doprava. Motoristi sú často obťažovaní hlukom, ktorý sa vyskytuje pri určitej rýchlosti vozidla alebo v dôsledku prevádzky motora. Niektoré slabo zaoblené časti tela rezonujú a vydávajú zvukové vibrácie. Samotné vozidlo so systémom odpruženia je oscilátor vybavený účinnými tlmičmi nárazov, ktoré zabraňujú vzniku akútnej rezonancie.
  • Mosty. Most môže vykonávať vertikálne a bočné vibrácie. Každý z týchto typov kmitov má svoje vlastné obdobie. Ak sú popruhy zavesené, má systém veľmi odlišnú rezonančnú frekvenciu.
  • Building. Vysoké budovy sú náchylné na zemetrasenie. Niektoré pasívne zariadenia ich môžu chrániť: sú to oscilátory, ktorých prirodzená frekvencia je blízka frekvencii samotnej budovy. Energia sa teda úplne absorbuje kyvadlom, čo bráni zničeniu budovy.

Rezonancia Rezonancia

Ale aj napriek niekedy fatálnym dôsledkom účinku reakcie je celkom možné a potrebné proti nemu bojovať. Aby sa zabránilo nežiadúcemu výskytu tohto javu, zvyčajne sa používajú dve metódy súčasne na rezonanciu a na boj proti nej:

  1. Dochádza k „odpojeniu“ frekvencií, ktoré, ak sa zhodujú, povedie k nežiaducim dôsledkom. Za týmto účelom zvýšte trenie rôznych mechanizmov alebo zmeňte prirodzenú frekvenciu kmitania systému.
  2. Zvýšte tlmenie vibrácií, napríklad dajte motor na gumovú podšívku alebo pružiny.

Kategórie:

Technológie