Zjawisko rezonansu

Gdy pewnego dnia pod koniec XVI wieku Galileusz obserwował świecznik u sufitu katedry w Pizie, zauważył pewien ciekawy fakt. Stwierdził on, iż niezależnie od tego, czy świecznik jest mocno rozbujany, czy tylko lekko się kiwa, jedno wahnięcie trwa zawsze tyle samo. Udowodnił to potem za pomocą prostego wahadełka i własnego pulsu.

Współczesne podręczniki do fizyki, zgodnie z odkryciem Galileusza podają, iż okres wahań nie zależy od amplitudy. Amplitudą nazywamy największe wychylenie w jedną lub drugą stronę, a okresem – czas potrzebny wahadłu na jedno pełne wahnięcie. Trzecim parametrem służącym do opisu drgań jest częstotliwość – liczba drgań w ciągu sekundy, wyrażona w hercach (Hz).

Praktycznie każda rzecz zadrga, gdy ją uderzymy, szarpniemy, lub dostarczymy jej energii w inny sposób. Niewykluczone, że usłyszymy przy tym również dźwięk. Aby dotrzeć do naszego ucha, dźwięk potrzebuje ośrodka, w którym będzie się rozchodził. Rolę taką może pełnić powietrze lub chociażby woda. Dla przykładu, gdyby w gabinecie od fizyki nie było powietrza, uczniowie zupełnie nie słyszeliby, co mówi do nich nauczyciel (zresztą i tak nie słyszą, ale nie ma to nic wspólnego z rezonansem). Pomijam tu oczywiście fakt, iż niemożliwym jest przebywanie w próżni bez specjalnych kombinezonów.

Jak to się wszystko dzieje? Wyobraźmy sobie koncert w filharmonii. Wiolonczelistka rozpoczyna utwór pocierając smyczkiem o struny. W ten sposób wprawia je w drgania. Wychylają się one i uderzają w cząsteczki powietrza, zbijając je w ciasną grupę. Za chwilę wychylają się jednak w drugą stronę pozostawiając po sobie wolną przestrzeń, do której cząsteczki wracają. Następnie struny znów powracają, kończąc tym jedno pełne drganie, i popychają cząsteczki powietrza, tak jak to miało miejsce na początku wahnięcia. Tak zagęszczając się i rozrzedzając na przemian cząsteczki tworzą falę, która przemierza salę koncertową i dociera do uszu słuchaczy. Tam natrafia na błonę bębenkową, którą wprawia w drgania o takiej samej częstotliwości, z jaką zadrgały struny instrumenty.

W ciele stałym cząsteczki są upakowane gęściej niż w cieszy czy w gazie, więc dźwięk rozchodzi się w nim znacznie szybciej. Właśnie z tej właściwości korzystali niegdyś Indianie. Przykładali oni ucho do ziemi, by usłyszeć zbliżających się jeźdźców. Wiedzieli, iż na pewno usłyszą ich znacznie wcześniej niż nasłuchując tętentu kopyt niesionego przez powietrze.

Dzięki rezonansowi możliwe jest wprawienie w drgania przedmiotu bez dotykania go. Za przykład mogą mi posłużyć dwa kamertony – metalowe przyrządy w kształcie widełek służące do strojenia instrumentów. Zakładam, iż drgają one z tą samą częstotliwością. Uderzam w jeden z nich, a po chwili zaczyna drgać też drugi, pomimo iż zostawiłam go w spokoju. Co się stało? Uderzony kamerton wprawia powietrze w drgania o „swojej” częstotliwości. Gdy docierają one do drugiego kamertonu, ten rezonuje – to przecież także jego „ulubiona” częstotliwość.
Gdyby nie rezonans, słuchanie muzyki byłoby niemożliwe. To właśnie dzięki temu zjawisku dźwięki nabierają siły. Gdy szarpiemy strunę rozciągniętą między palcami, wydobędziemy z niej jedynie ciche brzdęknięcie. Ta sama struna w gitarze czy innym instrumencie strunowym zabrzmi zupełnie inaczej, gdyż wprawi w drgania pudło rezonansowe i powietrze w jego wnętrzu.

Dla konstruktorów maszyn i budowli drgania i rezonans oznaczają przede wszystkim problemy. Wibracje są szczególnie groźne dla mostów wiszących. Wiejący wiatr lub rytm kroków przechodzących ludzi mogą wywołać rezonans i drgania o niebezpiecznej amplitudzie. Mieliśmy kilka przykładów wypadków tego typu w historii. Najsłynniejszym jest chyba przypadek słynnego Tacoma Narrows Bridge. Jego główne przęsło miało 853m długości i tylko 12m szerokości. Nawet podczas słabych wiatrów falowało jak wstążka, dostarczając tym samym mocnych wrażeń kierowcom. 7 listopada 1940r., jedyne cztery miesiące po otwarciu, kąt i prędkość wiatru idealnie zgrały się z właściwą mostowi częstotliwością i rozhuśtały go tak mocno, iż chodnik po prawej stronie znalazł się aż 8,5m wyżej niż ten po lewej. W ciągu kilku godzin most runął do wody. Najzabawniejsze był tu jednak fakt, iż w pobliżu mostu, jeszcze przez ponad dobę po jego zawaleniu, stała reklama jednego z banków, który chwalił się, że jest solidny jak Tacoma Bridge.

Jednak nie tylko w świecie stworzonym przez człowieka rezonans stanowi zagrożenie. Lawinę może spowodować nawet mała wibracja cząsteczek powietrza. Z tego właśnie powodu lekkomyślne pokrzykiwanie w górach grozi śnieżną katastrofą, której doświadczyło już wielu turystów. Drgania pochodzące z wnętrza Ziemi nieustannie nękają naszą planetę. Na szczęście większość z nich jest niegroźna, jednak raz na jakiś czas (zwłaszcza w obszarach o podwyższonej aktywności sejsmicznej) zdarzają się silniejsze trzęsienia. Wibracje skalnej skorupy Ziemi tworzą fale sejsmiczne. Miejsce, w którym powstają i skąd się rozchodzą, to ognisko trzęsienia. Nad nim na powierzchni Ziemi znajduje się epicentrum. W tej strefie wstrząsy są najsilniejsze i odczuwane najwcześniej.

Drgania to zjawisko niezwykle powszechne, zarówno w makro, jak i mikroświecie. Poza drganiami akustycznymi istnieją również drgania pola elektromagnetycznego, którym zawdzięczamy np. możliwość słuchania radia.

Sejsmografowi śledzą drgania Ziemi mogące wywołać katastrofalne w skutkach trzęsienia ziemi. Astronomowie obserwują powtarzające się co kilka minut wibracje na powierzchni Słońca wywołane falami dźwiękowymi. Dla fizyka ogrzewanie ciała stałego to nic innego, jak wprawianie jego cząsteczek w coraz szybsze drgania. Niedawno pojawiła się nawet teoria, która wyjaśnia na ich podstawie prawa rządzące światem. Zgodnie z nią, wszystko jest zbudowane z maleńkich drgających strun.


Referat napisany na podstawie artykułu z miesięcznika Focus nr 1/2003

Dodaj swoją odpowiedź
Fizyka

Prawda czy fałsz. 1. Zjawisko rezonansu moze powodowac uszkodzenia konstrukcji inzynierskich. 2. Zjawisko rezonansu powoduje ze cialo wykonuje drgania osiaga duze wartosci predkosci. 3. Zjawisko rezonansu powoduje ze cialo wykonuje drgania o duzej

Prawda czy fałsz. 1. Zjawisko rezonansu moze powodowac uszkodzenia konstrukcji inzynierskich. 2. Zjawisko rezonansu powoduje ze cialo wykonuje drgania osiaga duze wartosci predkosci. 3. Zjawisko rezonansu powoduje ze cialo wykonuje drgania o...

Fizyka

Zjawisko rezonansu

Jako pierwszy zjawisko rezonansu zauważył Galileusz pod koniec XVI wieku, obserwując ruchy świecznika na wieży w Pizie. Stwierdził, że to, czy świecznik jest mocno rozbujany, czy słabo, jedno wahnięcie trwa ciągle tyle samo.

Gali...

Fizyka

Wskaż sytuację, w której zachodzi zjawisko rezonansu mechanicznego: a) wprawianie w ruch wahadła b) naelektryzowanie wahadła przez pocieranie c)rozkołysanie wiszącego mostu wskutek przechodzenia rytmicznym krokiem dużej grupy osób d)poderwanie do góry

Wskaż sytuację, w której zachodzi zjawisko rezonansu mechanicznego: a) wprawianie w ruch wahadła b) naelektryzowanie wahadła przez pocieranie c)rozkołysanie wiszącego mostu wskutek przechodzenia rytmicznym krokiem dużej grupy osób d)pod...

Fizyka

Wyjaśnij dlaczego zjawisko rezonansu może być niebezpieczne

Wyjaśnij dlaczego zjawisko rezonansu może być niebezpieczne...

Fizyka

Wyjaśnij zjawisko rezonansu mechanicznego (na poziomie gimnazjalnym)

Wyjaśnij zjawisko rezonansu mechanicznego (na poziomie gimnazjalnym)...

Biologia

Dokącz zdanie : Zjawisko rezonansu akustycznego wykorzystuje się w .....

Dokącz zdanie : Zjawisko rezonansu akustycznego wykorzystuje się w ........