Резонанс

Резонанс — явление резкого увеличения амплитуды колебаний системы, когда к ней приложено сила с частотой, равная частоте ее собственных колебаний.

Колебания маятника, в частности, является примером периодического движения. Независимо от того, сильно или слабо качается маятник, время, за которое он осуществляет полное движение туда и обратно, остается постоянным. Частота колебаний маятника определяется лишь длиной нити, на которой подвешен маятник.

ЧАСТОТА СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Любая система, способная совершать колебания, имеет тенденцию делать это с определенной частотой. Эта частота зависит только от параметров системы и называется частотой собственных колебаний, или резонансной частотой.

Если подуть в пустую бутылку, она начнет издавать звук одного какого-то тона. Высота тона — частота собственных колебаний столба воздуха в бутылке. Звуковой тон в той самой бутылке, частично заполненной водой, будет выше — высота уровня воды уменьшилась, и изменилась частота собственных колебаний.

РЕЗОНАНС И ЭНЕРГИЯ

Если качели подталкивать, когда она будет в высшей точке, то амплитуда раскачивания быстро возрастет. Увеличится и энергия колебаний. Такой же эффект будет, если попробовать петь в обложенной кафелем ванной. Энергия звуковых колебаний распространяющихся в помещении и почти полностью отражается от стен. Ноты определенной высоты будут звучать громче и дольше, чем другие. Это объясняется тем, что громкие ноты совпадают по частоте с резонансной частотой воздуха в ванной комнате. Тот, кто толкает качели, становится движущей силой для системы. В ванной движущей силой является голос. В обоих случаях амплитуда и энергия колебаний быстро растут, когда частота движущей силы совпадает с их собственной частотой.

В 1940 г. в городке Пьюджет-Саунд, штат Вашингтон, обрушился мост, когда порывы ветра совпали с собственной частотой колебаний моста.
В 1940 г. в городке Пьюджет-Саунд, штат Вашингтон, обрушился мост, когда порывы ветра совпали с собственной частотой колебаний моста.

РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРУГАХ

Резонанс в электрической цепи происходит, если она по — разному реагирует на сигналы различной частоты, причем одна частота оказывается преобладающей. Такие круги называются колебательными контурами. Самый простой колебательный контур состоит из 2 элементов: конденсатора и катушки индуктивности.

Конденсатор состоит из двух наборов металлических пластин, разделенных тонкими пленками изоляторов. Между пластинами он может хранить энергию электрического поля. Катушка индуктивности представляет собой заключенные витки провода; она может хранить энергию магнитного поля, возникающего вокруг витков.

Когда катушка индуктивности и конденсатор соединены в колебательный контур, в нем могут возникнуть колебания электрического тока. Движущая сила поступает с внешним сигналом. Составляющие сигнала не совпадающие с резонансной частотой контура, заглушаются и исчезают из общего сигнала, в котором остается только та его часть, частота которой соответствует резонансной частоте контура. Резонансную частоту контура можно изменять, регулируя значение емкости или индуктивности.

НАСТРОЙКА

В телевизорах и радиоприемниках свойства электрического резонанса используют для настройки сигнала конкретной частоты. Распространяясь по эфиру, радиоволны вызывают в антенне слабые колебания тока. Если этот ток сразу поступит на усилитель, то на выходе образуется смесь передач всех доступных теле — и радиостанций. Колебательный контур отсеивает все сигналы, кроме того, частота которого совпадает с резонансной частотой контура, — этот сигнал и подается на вход усилителя. Контур настраивают на частоту нужной станции, изменяя положение пластин конденсатора переменной емкости.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядра некоторых атомов похожи на крошечные магнитики. Попадая в сильное магнитное поле, они возвращаются, совмещая свое магнитное поле с внешним полем. Если на ядро ​​влиять импульсом электромагнитного поля высокой частоты, то, поглощая его энергию, ядро меняет свою ориентацию. Когда импульс исчезает, ядро восстанавливает исходное положение. Ядра поглощают энергию электромагнитных колебаний только в определенном диапазоне частот в зависимости от того, какому атому они принадлежат. Возвращаясь в такт колебаниям электромагнитного поля, ядра входят в резонанс. Это явление, названное ядерным магнитным резонансом (ЯМР), ученые используют для изучения связей атомов в сложных молекулах.

Сканеры для получения отображения магнитного резонанса (ОMP) позволяют получить картины внутренних органов человека и широко применяются в медицине.

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Связи между атомами в молекулах не абсолютно жесткие, они могут сжиматься, растягиватся и выгибаться — молекула при этом как бы колеблется. Молекулы имеют несколько резонансных частот, соответствующих разнообразным комбинациям колебаний связей. Некоторые из этих колебаний возбуждаются электромагнитным излучением в инфракрасном диапазоне. При инфракрасной спектроскопии на образец направляют инфракрасное излучение. Частоты, соответствующие резонансным частотам молекул, поглощаются — так определяется материал образца.

Ссылка на основную публикацию