Każde ciało w warunkach normalnych potrafi drgać swobodnie w ściśle określony dla siebie sposób, drgania te nazywamy drganiami własnymi. Co się stanie, jeżeli ciało, które może drgać swobodnie tylko przy pewnych częstotliwościach, będzie co pewien czas pobudzane do drgań?

Zjawisko okresowego pobudzania do drgań ośrodka sprężystego i zdolność tego ośrodka do pochłaniania porcji energii pochodzących ze źródła pobudzającego (wymuszającego drgania) nazywamy rezonansem. Możemy spotkać się z przeróżnymi rodzajami rezonansu, może występować w obwodach elektrycznych: i spotykamy tu rezonans zarówno prądów jak i napięć; może występować w skali subatomowej np. rezonans magnetyczny lub w skali naprawdę makroskopowej: rezonans ciał niebieskich. Na co dzień często spotykamy się też z rezonansem akustycznym, który powszechnie występuje w większości instrumentów muzycznych.

W swoim eksperymencie mającym na celu wyjaśnienie zjawiska posłużę się przykładem rezonansu mechanicznego, dla zobrazowania zjawiska wykorzystam wszystkim znany ośrodek sprężysty jakim jest sprężyna :) obciążę ją dodatkowo małym odważnikiem.

Powyższe zdjęcie przedstawia zbudowane w mojej pracowni urządzenie do demonstracji interesującego nas zjawiska. Na zdjęciu widzimy wspomnianą wcześniej sprężynę z obciążeniem oraz kilka dodatkowych elementów. Na obciążeniu zainstalowałem czujnik przyśpieszenia wraz z potrzebną elektroniką.

Przylutowany układ scalony na płytce to właśnie akcelerometr - czujnik przyśpieszenia, który wysyła sygnał napięciowy wprost proporcjonalny do działającego przyśpieszenia. Za jego pomocą w prosty sposób na oscyloskopie cyfrowym zarejestrujemy drgania sprężyny z obciążeniem.

Na szczycie modelu znajduje się mała płytka wraz z elektromagnesem, który delikatnie będzie podciągał i opuszczał sprężynę (wymuszał drgania). Na przedstawionej płytce znajduje się sterownik elektromagnesu, który wzmacnia sygnał z generatora tak by mógł wysterować cewkę elektromagnesu.

Do sterowania częstotliwością impulsów wymuszających zastosuję generator funkcyjny więc by go przypadkiem nie uszkodzić w układzie zastosowałem transoptor by galwanicznie oddzielić go od układu mocy.

Jeszcze widok na gotowy do pracy zestaw demonstracyjny. W przypadku tego rodzaju eksperymentów trudno jest coś pokazać na zdjęciach więc zapraszam do obejrzenia filmu, w którym umieściłem stosowne komentarze.

Myślę, że komentarze pojawiające się w trakcie filmu dość dobrze zobrazowały zjawisko rezonansu i generalną zasadę jego powstawania.
Na filmie częstotliwość drgań własnych układu sprężyny z obciążeniem znaleźliśmy metodą "prób i błędów". Gdybyśmy jednak do układu dostarczyli jedną dużą porcję energii (jednorazowo naciągając ją i zwalniając) zacznie ona drgać z częstotliwością własną. Oscylogram poniżej przedstawia pomiar sygnału z akcelerometru zawieszonego na obciążeniu - układ został jednorazowo pobudzony i drga swobodnie.

Częstotliwość drgań wynosi 1,136 Hz, biorąc pod uwagę, że mój generator ma rozdzielczość 0,1 Hz i bardziej dokładnie nie można go już ustawić, nie pomyliliśmy się w ogóle.
Na kolejnym filmie zmienimy masę obciążenia i znajdziemy częstotliwość drgań własnych drugą metodą. Zapraszam do obejrzenia filmu z komentarzami.

Wiemy już co to jest ten rezonans, ale niektórzy pewnie zadali by pytanie: dlaczego jest to tak ważne zagadnienie?
Jako pierwszy zjawisko to zauważył już 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. Galileusz dowiódł ,że okres wahań nie jest uzależniony od amplitudy.
Po kilku stuleciach wiemy już, że rezonans otacza nas ze wszystkich stron, jako pierwszy przykład podam denerwującą sytuację, która często przytrafia się nam w samochodzie. Rozpędzamy samochód i nagle przy pewnej prędkości obrotowej silnika jakiś element karoserii zaczyna silnie drżeć i mocno hałasować. Luźny element pobudzany drganiami silnika, które akurat zgrały się z częstotliwością rezonansową tego elementu zaczyna drgać z bardzo dużą amplitudą.
Inny przykład szkodliwości rezonansu jest dużo bardziej poważny:

W Stanach Zjednoczonych w 1940r. oddano do użytku bardzo lekki i wiotki most. 7 listopada 1940r. silne podmuchy wiatru zaczęły kołysać mostem, początkowo odchylenia były niewielkie ale po kilku godzinach osiągnęły 8,5m. Kolejne podmuchy dodawały energii aż w końcu most nie wytrzymał i runął do wody. Projektanci wszelkich budowli wystawionych na wiatr muszą możliwość wystąpienia takiego zjawiska uwzględnić w swoich obliczeniach.
Negatywnych skutków rezonansu można by jeszcze kilka wymieniać, ale nie po to rozpisałem się tłumacząc to zjawisko by teraz mówić że najlepiej by było gdyby w ogóle nie istniało :). Gdyby nie było rezonansu większość instrumentów muzycznych po prostu by zamilkła. Weźmy np. taką gitarę - gdy pobudzimy jej strunę drży ona z pewną własną częstotliwością (w tym przypadku może być różna dlatego możemy wydobywać różne dźwięki) drżenie to wzbudza falę dźwiękową w powietrzu, która z kolei wprawia w drgania pudło rezonansowe. To z kolei po pochłonięciu energii pochodzącej od struny drży z większą amplitudą wzmacniając dźwięk.
Gdyby nie rezonans praktycznie niemożliwa była by komunikacja bezprzewodowa. To właśnie dzięki zjawisku rezonansu możliwe jest nadawanie modulowanych fal radiowych (układ rezonansowy w którym wzbudzamy drgania elektryczne - generuje fale radiowe) i odbieranie ich (odpowiednio dostrojony układ rezonansowy, w którym fale wysłane z nadajnika wzbudzają przepływ prądów i zostają jednocześnie poprzez rezonans wzmocnione).
Rezonans, w tym przypadku magnetyczny pozwala nam obrazować bardzo dokładnie wnętrze ludzkiego ciała we wszystkich płaszczyznach. W tym przypadku po umieszczeniu pacjenta w silnym polu magnetycznym, które porządkuje osie obrotu jąder atomów wodoru, fale elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej wprawiają je w drgania rezonansowe. Tak drgające jądra wysyłają sygnały elektryczne odbierane przez anteny i przetwarzane przez komputer na obrazy wnętrza ludzkiego ciała.