Звучить гітара, але штормові мости: резонанс
Резонанс - надзвичайне природне явище. Він виникає лише в конкретних випадках і може бути використаний для багатьох цілей. Але це може насправді нас «зварити».
Резонанс - це вимушене коливання системи, спричинене джерелом, частота якого така ж, як і власна частота системи. Саме про це говорить визначення. Але що це насправді означає?
Механічні коливання та резонанс
Кожне коливання з часом зменшується через затухання. Якщо ми бачимо маленьку дитину на гойдалці, один з батьків повинен компенсувати спричинене затухання, щоб гойдалки не зупинилися. Ми знаємо, що для досягнення резонансу достатньо не тільки правильної сили штовхаючої сили, але й правильної синхронізації.
Дитина, мабуть, не був би надто збуджений, якби він рухався назад, а батько притулився до його спини у протилежному напрямку цього руху. Простіше кажучи, частота подачі енергії буде неправильною (враховуючи, що ми хочемо досягти резонансу). Гойдалки будуть коливатися, але не з найбільшою амплітудою. І навпаки, якщо частота правильна, амплітуда буде максимальною і, таким чином, відбудеться резонанс.
Що таке правильна і неправильна частота?
Якщо вібрація дитини на гойдалці має таку ж частоту, що і вібрація гойдалки від батьків, ми говоримо про «правильну» частоту, на якій відбувається резонанс. Тож частота коливань від батьківського (f [Гц]) буде такою ж, як і власна частота (f0 [Гц]) механічного генератора (коливань).
Резонанс можна дослідити за допомогою комп’ютерних технологій та відповідного програмного забезпечення. На графіку ви можете бачити амплітудну характеристику, яку я створив у Matlab. Крива показує залежність амплітуди від частоти. Частота, де амплітуда найвища, відповідає резонансній частоті.
Використовуйте
Механічний резонанс характеризується найбільшим коливанням тіл, навіть якщо тіло коливається з невеликою силою. Ми можемо використовувати його, наприклад із згаданими гойдалками, або музикою: наприклад, корпус гітари виконує функцію підсилювача, який підсилює вібрацію струн. І якщо ми коли-небудь застрягли в снігу на машині, ми намагалися виштовхнути його за допомогою резонансу. Ми поступово розгойдуємо машину, поки вона не звільниться від снігових пазурів.
Небажаний
Одним з найвідоміших прикладів небажаних резонансних ефектів є міст Такома.
Його наслідки були страшні! З невеликою, правильно приуроченою силою, явище резонансу могло коливати кількатонний міст. Згодом проектувальники мостів стали приділяти йому набагато більше уваги і намагалися запобігти резонансу, модифікуючи конструкцію. Однак нові дослідження мосту свідчать про те, що це може бути не резонанс. Під резонансом ми маємо на увазі, як ми вже згадували, вимушені коливання системи, на які впливає зовнішнє джерело коливань. У разі мосту це може бути напр. похідна рота солдатів. Але у випадку з мостом Такома був лише вітер без певної частоти. Проблема сталася, коли одна з мотузок обірвалася, і міст почав крутитись під впливом вітру. Завдяки аеродинамічним властивостям мосту та питомій швидкості вітру за мостом створювались повітряні вихори, які посилювали крутильні вібрації до тих пір, поки не відбулися руйнування.
Електричний резонанс
У деяких випадках складні електричні системи можна записати просто за допомогою схеми, що складається з трьох основних елементів: резистора (R), конденсатора (C) та індуктивності (L), які ми можемо дослідити. Електричний резонанс виникає саме тоді, коли електричну ланцюг збуджує періодичне джерело (багаторазово змінюючи, наприклад, функцію синуса) з частотою, яка ідентична частоті власних електричних коливань ланцюга (вони утворені його елементами).
Як і у випадку механічного резонансу, електричний може бути досліджений за допомогою комп'ютерних технологій, а реакція системи може бути побудована на різних графіках (аплітус або фазова характеристика).
Використовуйте
Електричний резонанс широко використовується, наприклад, при бездротовій передачі енергії. Забезпечення того, що передавач і приймач працюють на одній і тій же резонансній частоті, збільшить ефективність передачі. Однак сказано дуже просто. На практиці нам доводиться мати справу з багатьма паразитарними параметрами (шкірний ефект, ефект близькості, паразитна взаємопронизувальна здатність.), Які є небажаними. Дослідження в цій галузі все ще тривають.
Небажаний
У деяких електричних приладах резонанс небажаний. Наприклад, серійний (коли R, L і C з'єднані поруч) резонанс перевершує високий коефіцієнт посилення струму. Це може призвести до втрат тепла в провідниках.
Магнітно-резонансна томографія (МРТ)
Він використовує дуже сильне магнітне поле і високочастотні електромагнітні хвилі. Магнітне поле створюється спрямованим рухом електричних зарядів. Тіло людини в основному складається з води, а МРТ працює з тканиною, яка в основному складається з води. Через магнітний момент протона в ядрі Гідрогену, який називають спіном, атомне ядро має певний магнітний момент (наприклад, звичайний магніт має свої магнітні ефекти саме тому, що спін його частинок має однакову орієнтацію).
Коли обертається водневе ядро вставляється в постійне магнітне поле, воно обертається відповідно до дії цього поля. І навпаки, якщо зовнішнє магнітне поле зникає, серцевина повертається у вихідне положення. Дією іншого, перпендикулярного поля, серцевина знову починає обертатися. Щоб утримати ядра водню в постійному русі, використовується високочастотне обертове магнітне поле з справді величезними значеннями магнітної індукції. Встановивши два магнітні поля, перпендикулярні один одному, легко визначити, які ядра будуть резонувати.
Кожен сканер складається з котушок - антен, що випромінюють хвилі з певною частотою, енергія яких поглинається атомами водню. Наближаючи котушку до магнітного моменту, що обертається, в ній індукується напруга. Потім ці сигнали обробляються за допомогою комп’ютерних технологій в отримане зображення. Перевагою цього методу є вища роздільна здатність при зйомці більшості органів без шкідливого іонізуючого випромінювання, яке може стимулювати рак.
Езотеричні марення
Езотерика занадто "недружня" з наукою. В Інтернеті та в особистому житті ми можемо зустріти людей, які розповідають нам про «закони резонансу», і вони взагалі не будуть законами у справжньому розумінні цього слова.
Наприклад, я читав, що коли ми знаходимося в резонансі з певним видом думок, ми залучаємо речі та події, що відповідають цим думкам. Це не має нічого спільного з частотою у справжньому розумінні. Езотерики, мабуть, мали на увазі, що якщо у нас буде поганий настрій, ми будемо розчаровані і розчаровані чимось. І якщо слідує якась ручна дія, ми, швидше за все, зазнаємо невдачі. Однак це цілком логічно.
Езотерики чомусь дуже популярні, зловживаючи науковими термінами (часто зустрічається термін "квант"). Таким чином, вони лише створюють ілюзію того, що їх слова науково перевірені або мають певний зв’язок із наукою. І тому їм не потрібно довіряти.
Ми запропонували вам цю статтю у співпраці з Exsisto Sapiens.