Rezonans a częstotliwość naturalna
Rezonans i częstotliwość drgań własnych to dwa bardzo ważne tematy poruszane w ramach tematu fale i wibracje. Odgrywa również istotną rolę w takich dziedzinach, jak teoria obwodów, zarządzanie katastrofami, inżynieria, a nawet nauki przyrodnicze. W tym artykule postaram się omówić te dwa zjawiska, ich znaczenie, podobieństwa i wreszcie różnice.
Częstotliwość naturalna
Każdy system ma właściwość zwaną częstotliwością naturalną. Naturalna częstotliwość systemu jest bardzo ważna; jest to częstotliwość, którą system będzie podążał, jeśli system ma niewielkie oscylacje. Zdarzenia takie jak trzęsienia ziemi i wiatry mogą niszczyć obiekty z taką samą częstotliwością naturalną, jak samo zdarzenie. Bardzo ważne jest, aby zrozumieć i zmierzyć częstotliwość naturalną systemu, aby chronić go przed takimi klęskami żywiołowymi. Częstotliwość drgań własnych jest bezpośrednio związana z rezonansem. Zostanie to wyjaśnione później. Systemy takie jak budynki, obwody elektroniczne i elektryczne, systemy optyczne, systemy dźwiękowe, a nawet systemy biologiczne mają naturalne częstotliwości. Mogą mieć postać impedancji, oscylacji lub superpozycji w zależności od systemu.
Rezonans
Kiedy system (np. wahadło) zostanie poddany niewielkim wahaniom, zacznie się kołysać. Częstotliwość, z jaką się kołysze, jest naturalną częstotliwością systemu. Teraz wyobraź sobie okresową siłę zewnętrzną przykładaną do systemu. Częstotliwość tej siły zewnętrznej niekoniecznie musi być podobna do naturalnej częstotliwości systemu. Ta siła będzie próbowała oscylować system do częstotliwości siły. Tworzy to nierówny wzór. Część energii z siły zewnętrznej jest pochłaniana przez system. Rozważmy teraz przypadek, w którym częstotliwości są takie same. W takim przypadku wahadło będzie się swobodnie kołysać przy maksymalnej energii pochłoniętej od siły zewnętrznej. Nazywa się to rezonansem. W takim przypadku, nawet gdyby wahadło i siła nie były w tej samej fazie, wahadło ostatecznie dostosowałoby się do fazy siły. To jest wymuszona oscylacja. Ponieważ wahadło pochłania największą ilość energii w rezonansie, amplituda wahadła jest maksymalna w rezonansie. Oto niebezpieczeństwo, jakie niosą ze sobą trzęsienia ziemi i burze. Załóżmy, że częstotliwość drgań własnych budynku jest taka sama jak w przypadku trzęsienia ziemi, budynek będzie się kołysał z największą amplitudą i ostatecznie się zawali. W obwodach LCR występuje również stan rezonansowy. Impedancja dowolnej kombinacji LCR zależy od częstotliwości prądu przemiennego. Rezonans ma miejsce przy minimalnej impedancji. Częstotliwość odpowiadająca częstotliwości minimalnej to częstotliwość rezonansowa. Przy najwyższej impedancji mówi się, że system jest antyrezonansowy. Ten rezonans i anty-rezonans jest szeroko stosowany odpowiednio w obwodach strojenia i obwodach filtrów.
Jaka jest różnica między rezonansem a częstotliwością naturalną?
• Częstotliwość drgań własnych jest właściwością systemu.
• Rezonans to zdarzenie, które występuje, gdy system jest zasilany zewnętrzną siłą okresową o częstotliwości własnej.
• Częstotliwość drgań własnych można obliczyć dla systemu.
• Amplituda przyłożonej siły określa amplitudę rezonansu.
