Визначення фізичного явища під назвою резонанс вивчається в старших класах шкільного курсу фізики під час вивчення коливань. Однак суть і практичне застосування явища, пов’язаного з різким збільшенням амплітуди коливань при збігу частот (власної і зовнішнього впливу), для багатьох залишається загадкою.
І щоб розібратися в цьому, потрібно чітко усвідомити поняття процесу коливань, а також мати уявлення про фізичні величини, що їх характеризують.
Коливання: частота і амплітуда
Поява резонансу нерозривно пов’язане з коливаннями, тобто з процесом змін стану якої-небудь системи, який повторюється в часі і відбувається близько певної точки рівноваги, періодично відхиляючись то в сторону зі знаком «мінус», то в протилежну — зі знаком «плюс».
Це можуть бути:
- механічні коливання;
- періодичні зміни значення сили електричного струму в ланцюзі;
- звук і так далі.
Основними характеристиками коливальної системи є амплітуда (максимальне відхилення від положення рівноваги) і частота (кількість повторень рухів системи за одиницю часу). І ці величини відіграють головну роль як в описі самого явища, так і в умові резонансу.
Суть явища резонансу
Вперше застосування резонансу у вигляді прикладу зустрічається в роботах італійського вченого і техніка Торрічеллі, що жив в середні століття. А точне визначення цьому явищу, пов’язаному з вимушеними коливаннями, першим дав Галілео Галілей в трактаті “Про маятники і музичні струни”.
Механічний аспект
Як найпростіший приклад для опису механічного резонансу можна привести розгойдування дитячих гойдалок. Амплітудою в цьому випадку буде найбільша висота підйому гойдалки над рівнем горизонту, а частотою — кількість проходжень найнижчої точки за 1 секунду.
Запущені гойдалки, являючи собою коливальну систему, мають власну частоту і початкову амплітуду, збільшити яку можна досить легко, якщо штовхати гойдалку з частотою, що збігається з їх власною.
Зусилля, що прикладаються в цьому випадку, не мають вирішального значення. На збільшення висоти підйому буде впливати, більшою мірою, збіг частот коливань гойдалок і періодичності зовнішнього впливу.
Якщо поштовхи виробляти не періодично або з частотою, що сильно відрізняється від періодичності рухів самої системи, то результат буде абсолютно протилежним. Гойдалки не збільшать амплітуду розгойдувань, а навпаки, коливання системи будуть загасати, що в результаті призведе до повної зупинки в положенні рівноваги.
Основою роботи будь-якого механічного резонатора є взаємне перетворення двох видів енергій:
- потенційної;
- кінетичної.
У випадку з гойдалками, які за властивостями являють собою простий маятник, потенційна енергія, згідно з кривою графіка залежності, досягає максимуму в самій верхній точці, а в міру опускання вниз — до положення рівноваги — поступово переходить в кінетичну, набираючи найбільше значення при проходженні самої нижньої точки.
Залежить же потенційна енергія, згідно з формулою, від висоти підйому і маси, а кінетична — прямо пропорційна квадрату швидкості і тій же масі.
Електронні пристрої
Електромагнітний резонанс використовується в різних електронних пристроях, де є ланцюги з так званим коливальним контуром, що складається з котушки індуктивності і конденсатора. Виникає він при певній частоті, дозволяючи енергії магнітного поля індуктивного елемента перетворюватися в енергію електричного поля конденсатора і назад.
Механізм такого явища полягає в тому, що змінне магнітне поле котушки індуктивності створює електричний струм для зарядки конденсатора, а при зворотному процесі, коли конденсатор розряджається, струм генерує магнітне поле в котушці. Такий процес може повторюватися необмежену кількість разів, подібно механічному маятнику.
Резонансні явища в електричних коливальних контурах, як правило, використовуються в настроювальних елементах або в електричних фільтрах.
Оптика і акустика
Найвідомішим прикладом використання резонансу в оптичному діапазоні вважається резонатор Фабрі-Перо. Цей прилад, основу якого становить пара дзеркал, розташованих один проти одного, дозволяє створювати за допомогою резонансу стоячу світлову хвилю.
При роботі з акустичними приладами для збільшення гучності також не обходяться без резонансу. Практично всі музичні інструменти у своїх конструкціях містять резонатори. Це і:
- трубка у флейти;
- корпус у скрипки, гітари або барабана.
Такий відклик ще прийнято називати частотно-виборчим, оскільки саме явище виникає лише при збігу частот — впливу зовнішньої сили і власних коливань системи.
Характерні приклади резонансу
Хрестоматійним і дуже яскравим прикладом резонансу вважається випадок руйнування структури моста при проходженні по ньому роти солдатів стройовим кроком. Причиною такого ефекту став збіг частоти кроку групи людей і власної частоти коливань споруди, що призвело до різкого збільшення амплітуди коливань моста.
З руйнуванням мостових конструкцій пов’язаний і термін “такомський міст”. Але в цьому випадку причиною аварії стала не рота солдатів, а пориви вітру. При розрахунках проєктантами не була врахована можливість резонансу, в який увійшло полотно моста з поривами вітру певної швидкості. Після події фахівці провели численні дослідження і розрахунки, які згодом стали фундаментом сучасного мостобудування.
В результаті генерації СВЧ-випромінювання з частотою 2.45 ГГц в молекулах води, що потрапляють в зону впливу, спостерігається різке збільшення амплітуди коливань, що призводить до збільшення температури.
Таким чином, завдяки збігу частоти зовнішнього впливу і власної у молекул води, відбувається розігрів продуктів всередині мікрохвильової печі.
Резонанс у полеміці і риториці
Поняття резонанс зустрічається також і в суспільних науках. І це слово позначає відгук суспільства на певні події, публічні висловлювання або дії політиків, а також реакцію людей на події глобальних масштабів.
У словнику іноземних слів можна знайти пояснення резонансу як відгомону, відгуку або враженню. У цьому сенсі слово вживається для оцінки творів культури:
- спектакль;
- фільм;
- концерт;
- книга.
Для показу емоційного підйому, одностайного пориву слово “резонанс” часто використовується багатьма ораторами для підкреслення значущості того, що відбувається. У цьому значенні поняття набуває сенсу сильного відгуку і однакової оцінки.
З явищем резонансу люди стикаються кожен день, навіть не замислюючись про це. Але якщо в суперечці або при вимові промови з трибуни це слово можна використовувати для посилення враження від сказаного, то з поняттям резонансу як фізичного явища не все так просто і нешкідливо.
