Zavisnost amplitude oscilovanja od frekvencije pobude i prigušenja[1][2]KolapsTakoma mosta (1940), usled frekvencije vetra koja je dovela čitav most u rezonanciju.
Rezonancija ilirezonanca (lat.resonantia -odjek, odzvanjanje[3]) jefizička pojava koja nastaje uoscilujućem sistemu, kada seučestanost vanjske sile poklapi sa sopstvenomfrekvencijom tela na koje deluje, i tako postigne najvećaamplituda titranja.[4] Pojava rezonancije zavisi od prigušenja, tj. odnosaenergije gubitaka i ukupne energije sistema.
Rezonancija se uočava u mnogim područjima fizike:mehanici,akustici,elektrotehnici,atomskoj inuklearnoj fizici. Npr. u mehanici se rezonancija uočava kodvibriranja tela oko njegove vlastite vibracione frekvencije. Mala i ponavljana pokretnasila proizvodi vibracije većih amplituda. Kretanjeljuljaške je primeroscilatornog kretanja. Bilo da se ljuljaška njiše brzo ili sporo, prema i od, za svaki potpuni njihaj treba isto vreme. Frekvencija kretanja zavisi samo oddužine užeta koja nosimasu koja se njiše.
Od poznatog slučaja kolapsaTakoma mosta, kada je frekvencija vetra dovela čitav most u rezonanciju, pri izgradnji mostova i solitera veoma se vodi računa o frekvencijama koje ih okružuju.[4]
Pojam rezonancije povezan je s porastom intenziteta oscilacija kada se učestalost spoljašnje sile koja uzrokuje oscilacije podudara s učestalošću rezonantne frekvencije sistema. Tokom tog procesa dolazi najčešće do naizmeničnog pretvaranja jednog oblika energije u drugi, kao na primjerkinetičke upotencijalnu, ili energijeelektričnog polja u energijumagnetskog polja. Pojave vezane za rezonanciju mogu se, međutim, uočiti i u drugim fizičkim sistemima.
Prepoznatljiva karakteristika rezonantnih sistema je da jednom pobuđeni, mogu samostalno da osciluju još neko vreme u zavisnosti od prigušenja oscilatornog sistema. U zamišljenom idealnom rezonantnom sistemu gde nema prigušenja, rezonantni sistem bi nastavio da osciluje zauvek.
Premda postoje brojne vrste fizički različitih vrsta oscilovanja, posebno je zanimljiva pojava rezonancije uelektričnim oscilatornim kolima koja ima mnogobrojne primene u elektrotehnici. Najjednostavniji oscilatorni električni sistem se sastoji odelektrične zavojnice ielektričnog kondenzatora s odgovarajućimelektričnim induktivitetom, odn.električnim kapacitetom. Pobuđeno impulsom iz odgovarajućegelektričnog izvora, oscilatorno kolo će vibrirati na način kojim energija određenom učestalošću naizmenično prelazi sa zavojnice na kondenzator i nazad na zavojnicu. Tokom tog procesa dolazi do naizmeničnog pretvaranja energije magnetskog polja u zavojnici u energiju električnog polja u kondenzatoru i nazad u energiju magnetskog polja u zavojnici. Energija prelazi u obliku naizmenične električne struje periodičnog sinusoidalnog oblika i to one frekvencije koja je određena rezonantnim svojstvima oscilatornog kola.[5][6][7]
Električni rezonantni sistem može biti zamišljen, na primjer, kao serijsko oscilaciono kolo sastavljeno od idealnog induktivitetaL i idealnog kapacitetaC, gde oscilaciono kolo ne sadrži radne otpore koji bi uzrokovali gubitke energije. Pobudimo li takvo kolo da osciluje, strujnim krugom će poteći struja kao odziv na pobudu. To se može opisati opštom integralno diferencijalnom jednačinom:
Rešenje ove diferencijalne jednačine u stacionarnom stanju je periodična funkcija oblika
koja se pojavljuje nakon pobude, gde je Aamplituda oscilacija, a
kružna frekvencija. Oscilaciono kolo će, dakle, neprigušeno periodično vibrirati kružnom frekvencijom koja je određena veličinom induktiviteta i kapaciteta. Ukoliko je u oscilatornom kolu prisutan i otpor, oscilatorni krug će oscilovati na nešto nižoj frekvenciji uz eksponencijalno prigušenje zavisno od otpora koji uzrokuje energetske gubitke.
Električni rezonantni sistemi imaju svojstvo da im u frekvencijskom području rezonancije električna impedancija poprima ekstremne vrednosti što ima i odgovarajući uticaj na veličinu električne struje u strujnom kolu kao odziva na vanjsku pobudu. Električna impedancija serijskog oscilatornog kruga bi u idealnim uslovima na rezonantnoj frekvenciji postala jednaka nuli, a električna impedancija paralelnog oscilatornog kola u istim uslovima beskonačno velika. Međutim, u stvarnim uslovima postizanje ekstrema je ograničeno rezultantnim otporom gubitaka u oscilatornom kolu (radni otpor zavojnice, odn. otpor izolacije kondenzatora) te je za slučaj serijskog oscilatornog kola električna struja određena kao
gde suI,U iZ električna struja, napon i impedancija kao funkcije kružne frekvencije,Rs dodatni otpor gubitaka u serijskom spoju,L induktivitet zavojnice iC kapacitet kondenzatora u oscilatornom kolu. Na samoj rezonantnoj frekvenciji električna struja u strujnom kolu će biti ograničena dodatnim otporom gubitaka Rs u serijskom spoju.
Guranje osobe naljuljašci je uobičajen primer rezonancije.
Za razliku od električnih rezonantnih sistema koji se temelje na električnim veličinama, mehanički rezonantni sistemi temelje se na mehaničkim veličinama kao što su, na primer,sila imasa. Premda se mogu razmatrati fizički različiti mehanički rezonantni sistemi, najpoznatiji predstavnici su sistem tega i opruge, te sistem klatna.
Obesimo li teg o prikladno učvršćenu oprugu, pomaknemo li zatim teg iz ravnotežnog položaja i otpustimo ga, teg će otpočeti periodično kretanje tokom kojeg će se naizmeničnakinetička energija kretanja tega pretvarati u unutrašnjupotencijalnu energiju opruge i obratno. Razmatranjem sila u rezonantnom stanju tega i opruge dolazimo do sledeće jednačine:
gde jem masa tega,k konstanta opruge, ax pomak tega. Rješenje ove diferencijalne jednačine u stacionarnom stanju je periodična funkcija oblika
koja se pojavljuje nakon probude, gde je A amplituda oscilovanja, a
kružna frekvencija. Oscilacioni krug će, dakle, neprigušeno periodično oscilovati kružnom frekvencijom koja je određena veličinom mase tega i konstantom opruge. U stvarnosti je neophodno uzeti u obzir određena prigušenja koja se javljaju u obliku trenja vazduha i energetskih gubitaka usled promene oblika opruge, te će stvarna rezonantna frekvencija biti nešto niža, a oscilovanje će biti eksponencijalno prigušeno i zavisno od rezultantnog otpora trenja koji uzrokuje energetske gubitke.
Ovakav rezonantni sistem u frekvencijskom području rezonancije ima i neke dodatne osobine. Pod uticajem spoljašnje mehaničke sile dolazi do odziva sistema u obliku kretanja, gde je brzina kretanja tega mera tog odziva. U stvarnosti je takva brzina ograničena rezultantnim energetskim gubicima u mehaničkom oscilacionom sistemu. Međutim, uz dovoljno male gubitke u oscilacionom krugu brzina kretanja može i uz malu veličinu sile poprimiti velike vrednosti (slabo prigušen oscilacioni sistem) što se vidi iz jednakosti
gde suv iF brzina kretanja, odnosno mehanička sila kao funkcije kružne frekvencije,Rm rezultantno mehaničko trenje i ostalih gubici,m masa tega ik konstanta opruge.
Obesimo li neku masu o nerastezivu nit, pomaknemo li zatim masu iz ravnotežnog položaja i otpustimo je, ona će otpočeti periodično kretanje tokom kojeg će se naizmenično kinetička energija kretanja tega pretvarati u potencijalnu gravitacionu energiju tega i obratno. Razmatranjem sila u rezonantnom sistemu klatna, a za male pomake mase u odnosu na dužinu niti, dolazimo do sledeće jednačine:
gde jem obešena masa,g gravitaciono ubrzanje,l dužina niti, ax pomak mase iz ravnotežnog položaja. Rešenje ove diferencijalne jednačine u stacionarnom stanju je periodična funkcija oblika
koja se pojavljuje nakon probude, gde je A amplituda oscilovanja, a
kružna frekvencija. Klatno će, dakle, neprigušeno periodično oscilovati kružnom frekvencijom koja je zavisna od gravitacionog ubrzanja i dužine niti. U stvarnosti treba uzeti u obzir uticaj trenja vazduha, te će stvarna rezonantna frekvencija biti nešto niža, a oscilacije će biti eksponencijalno prigušeno i zavisno od trenja do kojeg dolazi prilikom kretanja mase i niti kroz vazduh.
