Z rezonansem mamy do czynienia w wielu dziedzinach naszego życia. Czasem zjawisko jest pożyteczne - gdy np. huśtamy nasze dziecko na huśtawce lub gramy na gitarze, a czasem wnerwiające, gdy przy pewnej prędkości jakiś element naszego pojazdu pobudzany wibracjami silnika wpada w rezonans i strasznie hałasuje.
Są to dość błahe przykłady, ale czasem od zjawiska rezonansu może zależeć nawet nasze życie. Nie wszyscy zdają sobie z tego sprawę, ale wielkie kominy, wysokie budynki, wierze telefonii komórkowej i tym podobne kołyszą się w rytm swojej własnej częstotliwości. Drgania rezonansowe mogą być dla takich budowli bardzo dużym zagrożeniem, bo gdyby np. na wielki most działały regularne podmuchy wiatru o częstotliwości nawet zbliżonej do rezonansowej, most będzie pochłaniał je jak huśtawka i amplituda drgań wzrośnie w końcu przekraczając próg wytrzymałości.
Czy przy projektowaniu takich budowli trzeba uwzględniać temperaturę ? czy częstotliwość drgań własnych zależy od temperatury ?? W poniższym eksperymencie sprawdzimy to posługując się przyrządem, który pobudzony do drgań jednym impulsem mechanicznym drga przez dłuższą chwilę z określoną częstotliwością jak szarpnięta struna gitary. Mowa o kamertonie, który przedstawiony jest na zdjęciu obok. Jest to przyrząd, który wykorzystuje się w muzyce do strojenia instrumentów. Swoim kształtem przypomina on małe widełki. Wykonany jest ze stali niechartowanej i raz uderzony drga ze stałą częstotliwością 440 Hz.
Drgania takiego kamertonu w najprostszym przypadku możemy tylko usłyszeć, ale co zrobić jeśli chcemy dokładnie zmierzyć ich częstotliwość?. W tym celu na małą plastikową rurkę nawinąłem kilkadziesiąt zwojów bardzo cienkiego drutu miedzianego w emalii.
A do obu końcówek kamertonu przyczepiłem malutkie, neodymowe magnesiki. Sam kamerton umieściłem nieruchomo w statywie tak, by można go było młoteczkiem pobudzać do drgań. Magnesy będą drgały z taką samą częstotliwością jak kamerton i będą indukowały w uzwojeniu przemienne napięcie, które będziemy mogli zbadać oscyloskopem. Przy okazji eksperymentu skonstruowałem miniprądnicę, produkującą energię kosztem drgań rezonansowych. Dołożone obciążenie w postaci magnesów napewno zmieni częstotliwość kamertonu, ale nam nie chodzi o strojenie instrumentów.
Zaczynamy eksperyment, na początku "na ciepło". Do cewki podłączamy oscyloskop i ustawiamy go na dość dużą czułość 5mv/dz. Drgania nie będą mieć dużej amplitudy więc i napięcie nie będzie duże.
Po uderzeniu kamertonu młoteczkiem na ekranie oscyloskopu mamy wynik pomiaru, widzimy, że ramiona przyrządu drgają z częstotliwością 430 Hz. Dołożone obciążenie w postaci dwóch małych magnesików zmniejszyło ją o 10 Hz, ale jak wcześniej wspomniałem w tym eksperymencie nie ma to znaczenia. Amplituda drgań od chwili pobudzenia szybko się zmniejsza, lecz częstotliwość pozostaje bez zmian.
Teraz kamerton oziębimy do temperatury -196oC w ciekłym azocie. Mieliśmy w tym eksperymencie pokazać jak duży wpływ na drgania własne budowli mogą mieć niskie temperatury i ktoś może powiedzieć, że przecież żaden budynek nie osiągnie tak niskiej temperatury. Zgadza się - nie osiągnie napewno, ale z drugiej strony żaden budynek nie drga z częstotliwością 430 Hz, posługujemy się tylko pewnym modelem, który pomoże nam w skali laboratoryjnej zaobserwować zjawisko.
Oziębiony kamerton umieszczamy w naszym stanowisku pomiarowym i znów pobudzamy młoteczkiem do drgań.
Na oscylogramie powyżej widzimy, że eksperyment przeprowadzony na zimno znacząco różni się od tego na ciepło. Po pierwsze - zmieniła się częstotliwość drgań z 430 na 440 Hz, po drugie zwiększyła się amplituda drgań. Już małe uderzenie młoteczkiem w kamerton powoduje drgania o dużej amplitudzie.
W międzyczasie przyrząd pokrywa się obficie szronem, który również może wpływać na zmianę parametrów. Rozwiązaniem jest w trakcie pomiarów częste schładzanie, w którego trakcie szton odpada.
To jeszcze nie wszystkie zmiany jakie można zaobserwować. Dzięki możliwościom cyfrowego oscyloskopu będziemy mogli zmierzyć czas trwania drgań pobudzonego młoteczkiem kamertonu. Ustawiając bardzo małą wartość podstawy czasu będziemy mogli dokonać pomiaru i zobaczyć jak zmienia się on w czasie.
Ustawiając podstawę czasu oscyloskopu na wartość 5s/działkę rozpoczynamy próbkowanie sygnału z cewki i uderzamy młoteczkiem w kamerton.
Sinusoidalny sygnał z cewki, który na dużej wartości podstawy czasu mogliśmy dokładnie obejrzeć, tutaj zamazuje nam ekran, ale możemy dokładnie zaobserwować jak w czasie zmienia się jego amplituda.
Zainteresowało mnie dlaczego ten oscylogram jest taki poszarpany, przyśpieszyłem więc podstawę czasu do 2,5 s/działkę i okazało się, że jest jeszcze ciekawa składowa drgań. Drgania ogólnie zmieniają swoją amplitudę, ale oprócz tego co chwila gwałtownie przygasają i znów wzrastają. Podejrzewam, że jest to spowodowane różną wagą dołączonych magnesików bo niestety jeden jest trochę krótszy.
Zacząłem zbaczać z tematu więc wracamy do eksperymentu, na oscylogramie powyżej zmierzyłem czas trwania drgań w temperaturze pokojowej. Czas ten wynosi 45,2 s.
Czas drgań po ochłodzeniu zmniejszył się do wartości 34,8 s
Wraz ze spadkiem temperatury większość materiałów zwiększa swoją wytrzymałość mechaniczną. Wynika to z obniżonej w niskich temperaturach energii cieplnej sieci krystalicznej. Jednak nic bez skutków ubocznych, materiały po obniżeniu temperatury stają się bardziej kruche i mniej sprężyste. Dlatego kamerton drgał krócej i z wyższą częstotliwością. Z eksperymentu możemy wywnioskować, że komin elektrowni zimą będzie mniej odchylał się od pionu i miał większą częstotliwość własną, ale przy szczególnych warunkach obciążenia np. silny wiatr, będzie bardziej wrażliwy na zniszczenie.
