Definice pojmu rezonance (reakce) ve fyzice je přiřazena speciálním technikům, kteří mají statistické grafy, které se často s tímto jevem setkávají. Dnes je rezonance frekvenčně selektivní odezvou, kde vibrační systém nebo prudký nárůst vnější síly nutí jiný systém oscilovat s větší amplitudou při určitých frekvencích.

Princip fungování

Tento jev je pozorován, když je systém schopen ukládat a snadno přenášet energii mezi dvěma nebo více různými režimy ukládání, jako je kinetická a potenciální energie. Existují však určité ztráty z cyklu na cyklus, nazývané útlum. Když je útlum zanedbatelný, rezonanční frekvence je přibližně stejná jako přirozená frekvence systému, což je frekvence nevynucených kmitů.

K těmto jevům dochází u všech typů kmitů nebo vln: mechanických, akustických, elektromagnetických, nukleárních magnetických (NMR), spinů elektronů (EPR) a rezonance kvantových vlnových funkcí. Takové systémy lze použít ke generování vibrací určité frekvence (například hudebních nástrojů).

Termín “rezonance” (od latinské rezonance, “echo”) pochází z oblasti akustiky, zvláště pozorované v hudebních nástrojích, například když řetězce začnou vibrovat a reprodukovat zvuk bez přímého vlivu hráče.

Příklady rezonance v životě

Obvyklým příkladem tohoto jevu je tlačení osoby na houpačce . Při kyvném zatížení má kyvadlo vlastní kmitočet kmitání a rezonanční kmitočet, který odolává tlačení rychleji nebo pomaleji.

Příkladem je kolísání skořápek na hřišti, které funguje jako kyvadlo. Stisknutí osoby během houpání s přirozeným intervalem oscilace vede ke skutečnosti, že houpání jde výš a výš (maximální amplituda), zatímco pokusy o houpání rychleji nebo pomaleji vytvářejí menší oblouky. Důvodem je skutečnost, že energie absorbovaná vibracemi se zvyšuje, když šoky odpovídají přirozeným vibracím.

Reakce je široce nalezena v přírodě a používá se v mnoha umělých zařízeních. Toto je mechanismus, kterým se generují téměř všechny sinusové vlny a vibrace. Mnoho zvuků, které slyšíme například při nárazu tvrdých předmětů z kovu, skla nebo dřeva, jsou způsobeny krátkými vibracemi v předmětu. Světlo a jiné krátkovlnné elektromagnetické záření je generováno rezonancí v atomové stupnici, jako jsou elektrony v atomech. Další podmínky, za nichž lze aplikovat prospěšné vlastnosti tohoto jevu:

  • Mechanismy časování moderních hodinek, vyrovnávací kolo v mechanických hodinkách a křemenný krystal v hodinkách.
  • Přílivová odezva Fundy Bay.
  • Akustické rezonance hudebních nástrojů a lidského hlasového traktu.
  • Zničení křišťálového skla pod vlivem pravého hudebního tónu.
  • Třecí idiofony, jako je výroba skleněných předmětů (sklo, láhev, váza), vibrují, když se třením prstu otírají kolem jeho okraje.
  • Elektrická odezva naladěných obvodů v rozhlasových stanicích a televizích, které selektivně přijímají rádiové frekvence.
  • Vytváření koherentního světla optickou rezonancí v laserové dutině.
  • Orbitální odezva, jejíž příkladem jsou některé měsíce plynných obrů sluneční soustavy.

Rezonance materiálu na atomové stupnici jsou základem několika spektroskopických metod, které se používají ve fyzice kondenzovaných látek, například:

  • Elektronická rotace.
  • Mossbauerův efekt.
  • Jaderná magnetika.

Typy jevů

V popisu rezonance Galileo právě upozornil na nejdůležitější věc - schopnost mechanického oscilačního systému (těžké kyvadlo) akumulovat energii, která je dodávána z externího zdroje s určitou frekvencí. Projevy rezonance mají určité vlastnosti v různých systémech, a proto rozlišují její různé typy.

Mechanické a akustické

Mechanická rezonance je tendence mechanického systému absorbovat více energie, když jeho frekvence odpovídá přirozené frekvenci vibrací systému. To může vést k vážným fluktuacím pohybu a dokonce k katastrofickému selhání nedokončených struktur, včetně mostů, budov, vlaků a letadel. Při navrhování zařízení musí technici zajistit, aby mechanické rezonanční frekvence součástí neodpovídaly vibračním frekvencím motorů nebo jiných kmitajících částí, aby se zabránilo jevům známým jako rezonanční tísně.

Elektrická rezonance

Vyskytuje se v elektrickém obvodu při určité rezonanční frekvenci, když je impedance obvodu minimální v sériovém obvodu nebo maximální v paralelním obvodu. Rezonance v obvodech se používá k přenosu a přijímání bezdrátových komunikací, jako je televize, celulární nebo rozhlasové vysílání.

Optická rezonance

Optická dutina, také nazývaná optický rezonátor, je speciální uspořádání zrcadel, které tvoří rezonátor stojaté vlny pro světelné vlny . Optické dutiny jsou hlavní složkou laserů obklopujících amplifikační médium a zajišťující zpětnou vazbu laserového záření. Používají se také v optických parametrických oscilátorech a některých interferometrech.

Světlo omezené v dutině opakovaně reprodukuje stojaté vlny pro určité rezonanční frekvence. Výsledné modely stálých vln se nazývají „režimy“. Podélné režimy se liší pouze frekvencí, zatímco příčné režimy se liší pro různé frekvence a mají různé průměry intenzity v průřezu paprsku. Prstencové rezonátory a šeptající galerie jsou příklady optických rezonátorů, které netvoří stojaté vlny.

Orbitální vibrace

V kosmické mechanice dochází k orbitální reakci, když dvě orbitální těla vykonávají pravidelný, periodický gravitační účinek na sebe. Toto je obvykle kvůli skutečnosti, že jejich orbitální periody jsou spojeny poměrem dvou malých celých čísel. Orbitální rezonance významně zvyšují vzájemný gravitační vliv těl. Ve většině případů to vede k nestabilní interakci, při níž si těla vyměňují hybnost a posun, dokud rezonance již neexistuje.

Za určitých okolností může být rezonanční systém stabilní a samoopravující se, takže těla zůstávají v rezonanci. Příklady jsou 1: 2: 4 měsíční rezonance Jupitera Ganymedeho, Evropa a Io a rezonance 2: 3 mezi Plutem a Neptunem. Nestabilní rezonance s vnitřními měsíci Saturnu způsobují mezery v Saturnových prstenech. Zvláštní případ rezonance 1: 1 (mezi těly s podobnými orbitálními poloměry) nutí velká těla sluneční soustavy, aby vyčistila okolí kolem svých oběžných drah a vytlačila téměř všechno ostatní kolem nich.

Atomová, částečná a molekulární

Nukleární magnetická rezonance (NMR) je název definovaný jevem fyzikální rezonance spojeným s pozorováním specifických kvantově-mechanických magnetických vlastností atomového jádra, pokud je přítomno vnější magnetické pole. Mnoho vědeckých metod používá jevy NMR ke studiu molekulární fyziky, krystalů a nekrystalických materiálů. NMR se také běžně používá v moderních lékařských zobrazovacích technikách, jako je magnetická rezonance (MRI).

Výhody a poškození rezonance

Aby bylo možné vyvodit závěr o kladech a záporech rezonance, je třeba zvážit, v jakých případech se může projevit nejaktivněji a znatelně pro lidskou činnost.

Pozitivní účinek

Fenomén reakce je široce používán ve vědě a technologii . Například práce mnoha rádiových obvodů a zařízení je založena na tomto jevu.

  • Dvoudobý motor. Tlumič dvoutaktního motoru má zvláštní tvar, který je navržen tak, aby vytvořil rezonanční jev. Zlepšuje výkon motoru snížením spotřeby a znečištění. Tato rezonance částečně snižuje nespálené plyny a zvyšuje kompresi ve válci.
  • Hudební nástroje V případě strun a dechových nástrojů dochází k produkci zvuku hlavně tehdy, když je oscilační systém (struny, sloupce vzduchu) vzrušený před výskytem rezonance.
  • Rádia. Každá rozhlasová stanice vysílá elektromagnetickou vlnu s jasně definovanou frekvencí. Aby bylo možné jej zachytit, je obvod RLC nucen vibrovat s anténou, která zachycuje všechny elektromagnetické vlny, které k němu dosáhnou. Aby bylo možné poslouchat jednu stanici, musí být přirozená frekvence obvodu RLC naladěna na frekvenci požadovaného vysílače změnou kapacity proměnného kondenzátoru (operace se provádí stisknutím tlačítka vyhledávání stanice). Všechny radiokomunikační systémy, ať už jsou to vysílače nebo přijímače, používají rezonátory k „filtrování“ frekvencí signálů, které zpracovávají.
  • Zobrazování magnetickou rezonancí (MRI). V roce 1946 dva Američané Felix Bloch a Edward Mills Purcell nezávisle objevili fenomén nukleární magnetické rezonance, nazývaný také NMR, který jim přinesl Nobelovu cenu za fyziku.

Negativní dopad

Tento jev však není vždy užitečný . Často najdete odkazy na případy, kdy se namontované mosty zlomily, když vojáci procházeli po nich „pěšky“. V tomto případě se odkazuje na projev rezonančního účinku vlivu rezonance a boj proti němu se stává rozsáhlým.

  • Motorová doprava. Motoristé jsou často otráveni hlukem, který se vyskytuje při určité rychlosti vozidla nebo v důsledku provozu motoru. Některé slabě zaoblené části těla rezonují a vydávají zvukové vibrace. Samotné auto s odpruženým systémem je oscilátor vybavený účinnými tlumiči nárazů, které zabraňují výskytu akutní rezonance.
  • Mosty. Most může provádět vertikální a laterální vibrace. Každý z těchto typů kmitů má své vlastní období. Pokud jsou vázací prostředky zavěšeny, má systém velmi odlišnou rezonanční frekvenci.
  • Budovy. Vysoké budovy jsou náchylné k zemětřesení. Některá pasivní zařízení je mohou chránit: jsou to oscilátory, jejichž přirozená frekvence je blízká frekvenci samotné budovy. Energie je tedy kompletně absorbována kyvadlem, což zabraňuje zničení budovy.

Rezonance Rezonance

Ale navzdory někdy fatálním důsledkům účinku reakce je docela možné a nutné proti tomu bojovat. Aby se předešlo nežádoucímu výskytu tohoto jevu, obvykle se používají dvě metody k současnému použití rezonance a v boji proti němu:

  1. Existuje „odpojení“ frekvencí, které, pokud se shoduje, povede k nežádoucím důsledkům. Chcete-li to provést, zvyšte tření různých mechanismů nebo změňte přirozenou frekvenci kmitání systému.
  2. Zvyšte tlumení vibrací, například položte motor na gumové obložení nebo pružiny.

Kategorie:

Technologie