10.12.2015-20:11:00   |   Tomáš Búran
#In tech
#Veda
Rezonancia je vynútené kmitanie systému vyvolané zdrojom, ktorého kmitočet je zhodný s vlastným kmitočtom systému. Toľko hovorí definícia. Čo to však reálne znamená?



Mechanické kmity a rezonancia

Každé kmitanie sa postupom času zmenšuje vplyvom tlmenia. Ak vidíme malé dieťa na hojdačke, jeden z rodičov musí spôsobené tlmenie kompenzovať, aby sa hojdanie nezastavilo. Vieme, že k dosiahnutiu rezonancie nestačí len správna veľkosť sily postrčenia, ale aj správne načasovanie.

Dieťa by asi nebolo príliš nadšené, ak by smerovalo dozadu a rodič by sa mu v protismere tohto pohybu oprel do chrbta. Zjednodušene sa to dá povedať tak, že frekvencia dodávania energie bude nesprávna (vzhľadom na to, že chceme dosiahnuť rezonanciu). Hojdačka sa síce bude hojdať, ale nie s najvyššou amplitúdou. Naopak, ak bude frekvencia správna, amplitúda bude maximálna a tým pádom dôjde k rezonancii.

Aká je to správna a nesprávna frekvencia?

Ak má kmitanie dieťaťa na hojdačke rovnakú frekvenciu ako kmitanie hojdačky od rodiča, hovoríme o tej "správnej" frekvencii, pri ktorej dôjde k rezonancii. Takže frekvencia kmitania od rodiča (f[Hz]) bude rovnaká, ako vlastná frekvencia (f0[Hz]) mechanického oscilátora (hojdačky).


-



Rezonanciu môžeme skúmať pomocou výpočtovej techniky a vhodného softvéru. Na grafe môžete vidieť amplitúdovú charakteristiku, ktorú som vytvoril v Matlabe. Krivka ukazuje závislosť amplitúdy od frekvencie. Frekvencia, kde je najvyššia amplitúda, zodpovedá rezonančnej frekvencii.



Využitie
Mechanická rezonancia je charakteristická tým, že pri nej dochádza k najväčšiemu rozkmitaniu telies, a to aj v prípade, ak je teleso rozkmitávané malou silou. Využiť ju môžeme napr. pri spomínaných hojdačkách, alebo hudbe: napríklad telo gitary slúži ako zosilňovač, ktorý zosilňuje kmitanie strún. A ak sme niekedy zapadli autom v snehu, tak sme sa ho snažili odtiaľ vytlačiť využitím rezonancie. Auto postupne rozkývame, až sa oslobodí spod snehových pazúrov.

Nežiadúca

Jeden z najznámejších príkladov nechcených účinkov rezonancie je most Tacoma.



Jej účinky boli desivé! Malou, správne načasovanou silou dokázal jav rezonancie rozkmitať niekoľkotonový most. Konštruktéri mostov si naň následne začali dávať oveľa väčší pozor a snažia sa rezonancii brániť upravením konštrukcie. Nové výskumy ohľadom mostu však naznačujú, že nemusí ísť o rezonanciu. Rezonanciou rozumieme, ako sme už spomínali, vynútené kmity sústavy, na ktorú pôsobí externý zdroj kmitov. V prípade mosta to môže byť napr. pochodujúca rota vojakov. Lenže v prípade mostu Tacoma pôsobil len vietor bez špecifickej frekvencie. Problém nastal, keď prasklo jedno z lán a most sa začal vplyvom vetra skrúcať. Vďaka aerodynamickým vlastnostiam mosta a konkrétnej rýchlosti vetra vznikali za mostom vzdušné víry, ktoré posilňovali torzné kmity až došlo k deštrukcii.

Elektrická rezonancia

Zložité elektrické systémy môžeme v niektorých prípadoch zjednodušene zapísať pomocou obvodu pozostávajúceho z troch hlavných prvkov: rezistor (R), kondenzátor (C) a induktor (L), ktoré môžeme skúmať. Elektrická rezonancia nastáva práve vtedy, ak je elektrický obvod budený periodickým zdrojom (opakovane sa mení, napríklad funkcia sínus) s frekvenciou, ktorá je zhodná s frekvenciou vlastných elektrických kmitov obvodu (tie vytvárajú jeho prvky).

Podobne, ako v prípade mechanickej rezonancie, možno tú elektrickú skúmať výpočtovou technikou a zakresľovať odozvu systému do rôznych grafov (aplitúdová či fázová charakteristika).

Využitie
Elektrická rezonancia má veľké využitie napríklad pri bezdrôtovom prenose výkonu. Ak zabezpečíme, aby vysielač a prijímač pracovali na rovnakej rezonančnej frekvencii, zvýši sa účinnosť prenosu. Je to však povedané veľmi zjednodušene. V praxi sa musíme popasovať s mnohými parazitnými parametrami (skin effect, proximity effect, parazitná medzizávitová kapacita...), ktoré sú nežiaduce. V tejto oblasti stále prebiehajú výskumy.


-



Nežiaduca
V určitých elektrických zariadeniach je vznik rezonancie nežiaduci. Napríklad sériová (keď sú R, L a C v zapojení vedľa seba) rezonancia vyniká veľkým prúdovým zosilnením. To môže mať za následok tepelné straty vo vodičoch.



Magnetická rezonancia (MRI)

Využíva veľmi silné magnetické pole a elektromagnetické vlnenia s vysokou frekvenciou. Magnetické pole je vytvorené pomocou usmerneného pohybu elektrických nábojov. Ľudské telo je tvorené z veľkej časti vodou a MRI pracuje práve s tkanivom, ktoré pozostáva do veľkej miery z vody. Vďaka magnetickému momentu protónu v jadre vodíka, ktorý sa označuje ako spin, má atómové jadro určitý magnetický moment (napr. obyčajný magnet má svoje magnetické účinky práve preto, lebo spin jeho častíc má rovnakú orientáciu).

Keď je rotujúce jadro vodíka vložené do konštantného magnetického poľa, natočí sa podľa pôsobenia tohto poľa. Naopak, ak vonkajšie magnetické pole zanikne, dôjde k návratu jadra do pôvodnej polohy. Pôsobením ďalšieho, kolmo pôsobiaceho poľa, začne jadro opäť rotovať. K udržaniu jadier vodíka v stálom pohybe sa používa vysokofrekvenčné rotujúce magnetické pole so skutočne obrovskými hodnotami magnetickej indukcie. Nastavením oboch na seba kolmých magnetických polí možno jednoducho určiť, ktoré jadrá budú v rezonancii.

Každý skener pozostáva z cievok - antény vysielajúce vlny so špecifickou frekvenciou, ktorých energiu absorbujú atómy vodíka. Priblížením cievky do blízkosti rotujúceho magnetického momentu sa v nej indukuje napätie. Tieto signály sa následne spracovávajú výpočtovou technikou do výsledného obrazu. Výhodou tejto metódy je väčšie rozlíšenie pri zobrazení väčšiny orgánov bez škodlivého ionizujúceho žiarenia, ktoré môže podnietiť vznik rakoviny.

Ezoterické bludy

Ezoterika sa s vedou príliš "nekamaráti". Na internete aj v osobnom živote sa môžeme stretnúť s ľuďmi, ktorí nám povedia o "zákonoch rezonancie", pričom to vôbec nebudú zákony v pravom zmysle slova.



Napríklad som sa dočítal, že ak sme v rezonancii s istým druhom myšlienok, veci a udalosti zodpovedajúce týmto myšlienkam priťahujeme k sebe. To nemá nič spoločné s frekvenciou v pravom zmysle. Ezoterici to mysleli to pravdepodobne tak, že ak máme trebárs zlú náladu, budeme nesústredení a z niečoho frustrovaní. No a ak nasleduje nejaká manuálna činnosť, je vyššia pravdepodobnosť, že sa nám nebude dariť. To je však celkom logické.

Ezoterici majú z nejakého dôvodu vo veľkej obľube zneužívať vedecké pojmy (často sa vyskytuje pojem "kvantový"). Tým len vytvárajú ilúziu, že ich slová sú vedecky overené či majú určitú spojitosť s vedou. A práve preto im netreba veriť.

Tento článok sme vám priniesli v spolupráci s Exsisto Sapiens.


-

Zdroje:

http://fyzika.gjvj.cz/index.php/kmitani-a-vlneni/mech-kmitani/100-nucene-kmitani-rezonance
http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/skripta/elektronika/sbirka/TEORIE/rezonance.html
http://fyzmatik.pise.cz/1233-jak-funguje-magneticka-rezonance.html
http://www.mathworks.com/index.html?s_tid=gn_logo
http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/757-spin
http://www.physics.ohio-state.edu/~kagan/phy596/Articles/TacomaNarrowsBridge/PhysicsTeacher-TacomaNarrowBridge.pdf
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/11/10.1063/PT.3.2991

fotky a videá:
http://www.webnoviny.sk/fotografia/278638/velka/wirelles-charging.jpg
https://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail