Rezonans - podstawowe informacje

Z najprostszym przykładem rezonansu można się zetknąć wprawiając słabymi pchnięciami kołyskę lub huśtawkę w wahania o bardzo dużej amplitudzie, pod warunkiem, że pchnięcia te następują zawsze zgodnie z kierunkiem ruchu huśtawki, w zgodnej z nim fazie. Bardzo efektowna jest demonstracja rezonansu za pomocą pary wahadeł sprzężonych. Jeżeli wprawi się w drgania jedno z dwóch wahadeł matematycznych A i B jednakowej długości, zaczepionych na wspólnej, poziomo zawieszonej lince, to wykona ono kilka lub kilkanaście tłumionych wahnięć, a jednocześnie drugie wahadło będzie wykonywało, początkowo słabe, wahania o narastającej amplitudzie. Następnie sytuacja ulegnie odwróceniu- wahania drugiego wahadła będą tłumione, pierwszego zaś zaczną narastać.

W opisanym tu doświadczeniu, ze względu na jednakowe długości obu wahadeł, a więc i jednakowe okresy ich wahań, słabe impulsy przenoszone przez poziomą linkę od jednego z wahadeł (np. A) do drugiego (B) są stale w zgodnej fazie z ruchem pobudzanego wahadła, wskutek czego wahania tego wahadła mogą narastać. Zawieszone między wahadłami A i B trzecie wahadło C o innej długości wykonuje słabe, chaotyczne drgania, bowiem impulsy przenoszone przez linkę docierają do niego niekiedy w fazie zgodnej z jego ruchem, niekiedy zaś w fazie przeciwnej. Wiele przykładów drgań rezonansowych jak np. drgania akustyczne słupów powietrza (fale stojące w piszczałkach), drgania elektryczne w obwodach.

Rezonans obserwuje się zarówno w układach o jednym, jak i o wielu stopniach swobody, liniowych lub nieliniowych. Jest on zjawiskiem często spotykanym i ważnym. Rezonans akustyczny obserwuje się np. zbliżając ucho do pustej muszli. Rezonansowi akustycznemu powietrza drgającego w pudle rezonansowym zawdzięczają swe brzmienie instrumenty smyczkowe, a także odbiorniki radiowe dawnej konstrukcji. Dzięki rezonansowi można dokonywać analizy nawet słabych dźwięków. Używa się do tego tzw. rezonatorów Helmholtza, z których każdy ma postać w przybliżeniu kulistego naczynia z dwoma otworami. Badany dźwięk pobudzi do brzmienia te rezonatory, których częstości własne odpowiadają tonom występujących w badanym dźwięku. Zjawisko rezonansu jest wykorzystywane w odbiornikach radiowych, stanowi podstawę działania częstościomierzy- przyrządów do mierzenia częstości. Niejednokrotnie rezonans umożliwia dokonywanie pomiarów bardzo subtelnych efektów. Przykładem jest metoda magnetycznego rezonansu, stosowanego do mierzenia spinowych momentów magnetycznych jąder atomowych. Ponadto, w związku z faktem, że mechanika kwantowa nawiązuje w wielu swych aspektach do teorii falowej, koncepcja rezonansu okazuje się bardzo użyteczna w fizyce kwantowych stanów związanych, takich jak np. stany własne atomów i cząsteczek.

Skutki rezonansu

Do niepożądanych skutków rezonansu należy zaliczać możliwość zniszczenia układu wprawionego w drgania rezonansowe w przypadku zbyt słabego tłumienia. Znany jest fakt zawalenia się mostu wprawionego w drgania rezonansowe przez maszerującą miarowym krokiem kolumnę żołnierzy. Przy pewnej częstości obrotów silnika lusterka wsteczne autobusów wpadają w rezonans
i zaczynają drgać tak silnie, że obserwowanie w nich obrazu jezdni za autobusem staje się niemożliwe. Zjawiska rezonansowe odgrywają donośną rolę w przyrodzie (m.in. opiera się na nich działanie narządu słuchu) oraz stanowią podstawę działania wielu przyrządów i urządzeń (lasery, wszelkiego typu zegary).