Resonancia

En la física, la resonancia es la tendencia de un sistema de oscilar en una mayor amplitud en algunas frecuencias que en otros. Éstos se conocen como frecuencias de la resonancia del sistema (o, erróneamente, frecuencias resonantes). En estas frecuencias, hasta las pequeñas fuerzas impulsoras periódicas pueden producir oscilaciones de amplitud grandes, porque el sistema almacena la energía vibrational.

La resonancia ocurre cuando un sistema es capaz de almacenar y transferir fácilmente la energía entre dos o más modos de almacenaje diferentes (como energía cinética y energía potencial en caso de un péndulo). Sin embargo, hay algunas pérdidas del ciclo al ciclo, llamado la humectación. Cuando la humectación es pequeña, la frecuencia de la resonancia es aproximadamente igual a la frecuencia natural del sistema, que es una frecuencia de vibraciones no forzadas. Algunos sistemas tienen múltiple, distinto, frecuencias de la resonancia.

Los fenómenos de la resonancia ocurren con todos los tipos de vibraciones u ondas: hay resonancia mecánica, la resonancia acústica, la resonancia electromagnética, la resonancia magnética nuclear (NMR), la resonancia de la vuelta de electrones (ESR) y la resonancia de funciones de onda cuánticas. Los sistemas resonantes pueden ser usados para generar vibraciones en una frecuencia específica (p.ej instrumentos musicales) o elegir frecuencias específicas de una vibración compleja que contiene muchas frecuencias (p.ej filtros).

La resonancia fue reconocida por Galileo Galilei con sus investigaciones de péndulos y cuerdas musicales que comienzan en 1602.

Ejemplos

Un ejemplo familiar es una oscilación del patio, que sirve de un péndulo. Empujar a una persona en una oscilación a tiempo con el intervalo natural de la oscilación (su frecuencia de la resonancia) hará la oscilación ir más alto y más alto (amplitud máxima), mientras las tentativas de empujar la oscilación en un ritmo más rápido o más lento causarán arcos más pequeños. Esto es porque la energía que la oscilación absorbe se maximiza cuando los empujes son 'en la fase' con las oscilaciones de la oscilación, mientras un poco de la energía de la oscilación realmente es extraída por la fuerza contraria de los empujes cuando no son.

La resonancia ocurre extensamente en la naturaleza y se explota en muchos dispositivos artificiales. Es el mecanismo por el cual prácticamente todas las ondas sinusoidal y las vibraciones se generan. Muchos sonidos que oímos, tal como cuando objetos difíciles de metal, el cristal o madera se golpea, son causados por breves vibraciones resonantes en el objeto. La luz y otra longitud de onda corta radiación electromagnética son producidas por la resonancia por una escala atómica, como electrones en átomos. Otros ejemplos son:

Resonancia mecánica y acústica

  • los mecanismos timekeeping de todos los relojes modernos y relojes: la rueda del equilibrio en un reloj mecánico y el cristal de cuarzo en un cuarzo miran
  • la resonancia de la marea de la Bahía de Fundy
  • resonancias acústicas de instrumentos musicales y cuerdas vocales humanas
  • el rompimiento de una copa de cristal cuando expuesto a un tono musical del tono correcto (su frecuencia de la resonancia)

Resonancia eléctrica

Resonancia óptica

Resonancia orbital en astronomía

Atómico, partícula y resonancia molecular

  • las resonancias materiales en la escala atómica son la base de varias técnicas spectroscopic que se usan en la física de materia condensada.
  • Resonancia magnética nuclear
  • Efecto de Mössbauer
  • Resonancia de la vuelta de electrones.

Teoría

La respuesta exacta de una resonancia, sobre todo para frecuencias lejanas de la frecuencia de la resonancia, depende de los detalles del sistema físico y no es por lo general exactamente simétrica sobre la frecuencia de la resonancia, como ilustrado para el oscilador armónico simple encima.

Para un oscilador lineal ligeramente mojado con una frecuencia de la resonancia Ω, la intensidad de oscilaciones I cuando el sistema se conduce con una frecuencia de conducción el ω es típicamente acercado por una fórmula que es simétrica sobre la frecuencia de la resonancia:

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La intensidad se define como el cuadrado de la amplitud de las oscilaciones. Esto es una función de Lorentzian, y esta respuesta se encuentra en muchas situaciones físicas que implican sistemas resonantes. El Γ es un dependiente del parámetro en la humectación del oscilador y se conoce como el linewidth de la resonancia. Los osciladores pesadamente mojados tienden a tener amplio linewidths y responder a una variedad más amplia de la conducción de frecuencias alrededor de la frecuencia de la resonancia. El linewidth está inversamente proporcional al factor Q, que es una medida de la agudeza de la resonancia.

En la ingeniería eléctrica, esta respuesta simétrica aproximada se conoce como la curva de la resonancia universal, un concepto introducido por Frederick E. Terman en 1932 para simplificar el análisis aproximado del recorrido de la radio con una variedad de frecuencias del centro y valores de Q.

Resonadores

Un sistema físico puede tener tantas frecuencias de la resonancia como tiene niveles de la libertad; cada nivel de la libertad puede vibrar como un oscilador armónico. Los sistemas con un nivel de la libertad, como una masa durante una primavera, péndulos, ruedas del equilibrio y LC sintonizaron el recorrido tiene una frecuencia de la resonancia. Los sistemas con dos niveles de la libertad, como péndulos conectados y transformadores resonantes pueden tener dos frecuencias de la resonancia. Cuando el número de osciladores armónicos conectados crece, el tiempo que necesita para transferir la energía de un al siguiente se hace significativo. Las vibraciones en ellos comienzan a viajar a través de los osciladores armónicos conectados en ondas, de un oscilador al siguiente.

Los objetos ampliados que experimentan la resonancia debido a vibraciones dentro de ellos se llaman resonadores, como tubos del órgano, vibrando cuerdas, cristales de cuarzo, cavidades microondas y varas de láser. Ya que éstos se pueden ver como hecho de millones de partes móviles conectadas (como átomos), pueden tener millones de frecuencias de la resonancia. Las vibraciones dentro de ellos viajan como ondas, en una velocidad aproximadamente constante, saltando de acá para allá entre los lados del resonador. Si la distancia entre los lados es, la longitud de un viaje de ida y vuelta es. A fin de causar la resonancia, la fase de una onda sinusoidal después de que un viaje de ida y vuelta tiene que ser igual a la fase inicial, por tanto las ondas reforzarán. Por tanto la condición para la resonancia en un resonador consiste en que la distancia del viaje de ida y vuelta, ser igual a un número del número entero de longitudes de onda de la onda:

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Si la velocidad de una onda es, la frecuencia es así las frecuencias de la resonancia son:

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Por tanto las frecuencias de la resonancia de resonadores, llamados modos normales, son múltiplos igualmente espaciados de la frecuencia más baja llamada la frecuencia fundamental. Los múltiplos a menudo se llaman alusiones. Pueden haber varias series de frecuencias de la resonancia, correspondiente a modos diferentes de la vibración.

Q factor

El factor de calidad o el factor Q son un parámetro sin dimensiones que describe cómo bajo - mojó un oscilador o el resonador es, o equivalentemente, caracteriza la amplitud de banda de un resonador con relación a su frecuencia del centro.

Más alto el Q indica un precio inferior de la pérdida de la energía con relación a la energía almacenada del oscilador, es decir las oscilaciones mueren más despacio. Un péndulo suspendido de un porte de alta calidad, que oscila en el aire, tiene Q alto, mientras un péndulo sumergido en el petróleo tiene Q bajo. A fin de sostener un sistema en la resonancia en la amplitud constante proporcionando el poder por fuera, la energía que se tiene que proporcionar dentro de cada ciclo es menos que la energía almacenada en el sistema (es decir la suma del potencial y cinético) por un factor de. Los osciladores con factores de alta calidad tienen bajo la humectación que tiende a hacerlos sonar más largo.

Sinusoidally conducidos en resonadores que tienen más alto Q factores resuenan con mayores amplitudes (en la frecuencia de la resonancia), pero tienen una variedad más pequeña de frecuencias alrededor de la frecuencia en la cual resuenan. La variedad de frecuencias en las cuales el oscilador resuena se llama la amplitud de banda. Así, Q alto sintonizó el recorrido en un receptor de la radio sería más difícil de sintonizar, pero tendría la mayor selectividad, haría un mejor trabajo de eliminar señales de otras estaciones que están cerca en el espectro. Los osciladores Q altos funcionan sobre una variedad más pequeña de frecuencias y son más estables. (Ver el ruido de la fase del oscilador.)

El factor de calidad de osciladores varía considerablemente del sistema al sistema. Los sistemas para los cuales la humectación es importante (como apagadores que impiden a una puerta cerrarse de golpe cerrado) tienen Q = ½. Los relojes, los lásers y otros sistemas que necesitan la resonancia fuerte o la estabilidad de alta frecuencia necesitan factores de alta calidad. Los diapasones tienen factores de calidad alrededor de Q = 1000. El factor de calidad de relojes atómicos y algunos lásers altos-Q puede alcanzar hasta 10 y más alto.

Hay muchas cantidades alternas usadas por físicos e ingenieros para describir qué mojado un oscilador es esto es estrechamente relacionado a su factor de calidad. Los ejemplos importantes incluyen: la proporción que se debilita, la amplitud de banda relativa, linewidth y la amplitud de banda medidas en octavas.

Tipos de resonancia

Resonancia mecánica y acústica

La resonancia mecánica es la tendencia de un sistema mecánico de absorber más energía cuando la frecuencia de sus oscilaciones corresponde a la frecuencia natural del sistema de la vibración que hace en otras frecuencias. Puede causar movimientos de influjo violentos y hasta fracaso catastrófico en estructuras incorrectamente construidas incluso puentes, edificios, trenes y avión. Diseñando objetos, los Ingenieros deben asegurar que las frecuencias de la resonancia mecánicas de las partes componentes no correspondan a la conducción vibrational las frecuencias de los motores u otras partes oscilantes, un fenómeno conocido como el desastre de la resonancia.

La evitación de desastres de la resonancia es una preocupación principal en cada edificio, torre y proyecto de construcción del puente. Como una medida preventiva, los montes del choque se pueden instalar para absorber frecuencias de la resonancia y así disipar la energía absorbida. El Taipei 101 edificio confía en un — un apagador de masas templado — para anular la resonancia. Además, la estructura se diseña para resonar en una frecuencia que no ocurre típicamente. Los edificios en zonas sísmicas a menudo se construyen para tener las frecuencias oscilantes en cuenta del movimiento de tierra esperado. Además, los ingenieros que diseñan objetos que tienen motores deben asegurar que las frecuencias de la resonancia mecánicas de las partes componentes no correspondan a la conducción vibrational las frecuencias de los motores u otras partes fuertemente oscilantes.

Muchos relojes guardan el tiempo por la resonancia mecánica en una rueda del equilibrio, péndulo o cristal de cuarzo

La resonancia acústica es una rama de la resonancia mecánica que se refiere por las vibraciones mecánicas a través del rango de frecuencia de la audiencia humana, en otras palabras suene. Para la gente, la audiencia normalmente se limita con frecuencias entre aproximadamente 20 Hz y 20,000 Hz (20 kilohercios),

La resonancia acústica es una consideración importante para constructores del instrumento, tan la mayor parte de instrumentos acústicos usan resonadores, como las cuerdas y cuerpo de un violín, la longitud del tubo en una flauta y la forma de, y tensión en, una membrana del tambor.

Como la resonancia mecánica, la resonancia acústica puede causar el fracaso catastrófico del objeto en la resonancia. El ejemplo clásico de esto rompe una copa de vino con el sonido en la frecuencia de la resonancia precisa del cristal, aunque esto sea difícil en la práctica.

Resonancia eléctrica

La resonancia eléctrica ocurre en un recorrido eléctrico en una frecuencia de la resonancia particular cuando la impedancia del recorrido está a mínimo en un recorrido de serie o en el máximo en un recorrido paralelo (o cuando la función de transferencia está en un máximo).

Resonancia óptica

Una cavidad óptica o el resonador óptico son un arreglo de espejos que forma un resonador de la cavidad de onda permanente para ondas ligeras. Las cavidades ópticas son un componente principal de lásers, rodeando el medio de la ganancia y proporcionando la reacción de la luz de láser. También se usan en osciladores paramétricos ópticos y algún interferometers. La luz encajonada en la cavidad refleja tiempos múltiples produciendo ondas permanentes para ciertas frecuencias de la resonancia. Los modelos de onda permanentes producidos se llaman modos. Los modos longitudinales sólo se diferencian en la frecuencia mientras los modos transversales se diferencian para frecuencias diferentes y tienen modelos de intensidad diferentes a través del corte transversal de la viga. Los resonadores de toque y el cuchicheo de galerías son ejemplos de resonadores ópticos que no forman ondas permanentes.

Los tipos del resonador diferentes son distinguidos por las longitudes focales de los dos espejos y la distancia entre ellos. (Los espejos llanos no a menudo se usan debido a la dificultad de alineación de ellos exactamente.) La geometría (tipo del resonador) se debe elegir así la viga permanece estable, es decir la talla de la viga no sigue creciendo con cada reflexión. Los tipos del resonador también se diseñan para encontrar otros criterios como la cintura de la viga mínima o no teniendo ningún foco (y por lo tanto luz intensa a ese punto) dentro de la cavidad.

Las cavidades ópticas se diseñan para tener un factor Q muy grande; una viga reflejará un muy gran número de tiempos con poca atenuación. Por lo tanto la anchura de la línea de frecuencia de la viga es muy pequeña comparado con la frecuencia del láser.

Las resonancias ópticas adicionales son resonancias del modo dirigido y revisten la resonancia plasmon, que causan reflexión anomalus y campos evanescentes altos en la resonancia. En este caso, los modos resonantes son modos dirigidos de una guía de ondas o revisten modos plasmon de un interfaz dieléctrico y metálico. Estos modos son por lo general excitados por una rejilla de la sublongitud de onda.

Resonancia orbital

En la mecánica celeste, una resonancia orbital ocurre cuando dos cuerpos orbitales ejercen una influencia gravitacional regular, periódica el uno en el otro, por lo general debido a sus períodos orbitales relacionados por una proporción de dos pequeños números enteros. Las resonancias orbitales enormemente realzan la influencia gravitacional mutua de los cuerpos. En mayoría de los casos, esto causa una interacción inestable, en la cual los cuerpos cambian ímpetu y órbitas de cambio hasta que la resonancia ya no exista. En algunas circunstancias, un sistema resonante puede ser estable y mí corrección, de modo que los cuerpos permanezcan en la resonancia. Los ejemplos son el 1:2:4 la resonancia de las lunas de Júpiter Ganymede, Europa e Io, y el 2:3 resonancia entre el Plutón y Neptuno. Las resonancias inestables con las lunas interiores del Saturno dan ocasión a huecos en los anillos de Saturno. El caso especial de 1:1 resonancia (entre cuerpos con radios orbitales similares) hace que cuerpos del Sistema solar grandes limpien la vecindad alrededor de sus órbitas expulsando casi todo lo demás alrededor de ellos; este efecto se usa en la definición corriente de un planeta.

Atómico, partícula y resonancia molecular

La resonancia magnética nuclear (NMR) es el nombre dado a un fenómeno de la resonancia físico que implica la observación del quántum específico las propiedades magnéticas mecánicas de un núcleo atómico en la presencia de un campo magnético aplicado, externo. Muchas técnicas científicas explotan fenómenos NMR para estudiar física molecular, cristales y materiales no cristalinos a través de la espectroscopia NMR. NMR también rutinariamente se usa en técnicas de representación médicas avanzadas, tal como en la representación de la resonancia magnética (MRI).

Todos los núcleos que contienen números impares de nucleons tienen un momento magnético intrínseco y momento angular. Una característica clave de NMR es que la frecuencia de la resonancia de una sustancia particular es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético aplicado. Es este rasgo que se explota en técnicas de representación; si una muestra se coloca en un campo magnético no uniforme entonces las frecuencias de la resonancia de los núcleos de la muestra dependen de donde en el campo se localizan. Por lo tanto, la partícula puede ser localizada completamente exactamente por su frecuencia de la resonancia.

La resonancia paramagnética de electrones, por otra parte conocida como Electron Spin Resonance (ESR) es una técnica spectroscopic similar a NMR, pero usa electrones no emparejados en cambio. Los materiales para los cuales esto se puede aplicar mucho más se limitan ya que el material tiene que ambos tener una vuelta no emparejada y ser paramagnético.

El efecto Mössbauer es la emisión resonante y sin retrocesos y la absorción de fotones del rayo gamma por átomos ligados en una forma sólida.

Resonancia (física de partículas): En mecánica cuántica y teoría del campo cuántica las resonancias pueden aparecer en circunstancias similares a la física clásica. Sin embargo, también pueden pensar de ellos como partículas inestables, con la fórmula encima del válido si ser el precio del decaimiento y sustituyera por el M de masas de la partícula. En este caso, la fórmula viene del propagador de la partícula, con su masa sustituida por el número complejo. La fórmula es relacionada adelante con el precio del decaimiento de la partícula por el teorema óptico.

Fracaso de Tacoma Narrows Bridge original

La torsión dramáticamente visible, rítmica que causó el colapso de 1940 de "Gertie Galopante," Tacoma Narrows Bridge original, se ha a veces caracterizado en libros de texto de la física de un ejemplo clásico de la resonancia. Sin embargo, esta descripción es engañosa. Las vibraciones catastróficas que destruyeron el puente no eran debido a la resonancia mecánica simple, pero a una interacción más complicada entre el puente y los vientos que pasan por él — un fenómeno conocido como aeroelastic agitación. Robert H. Scanlan, el padre de la aerodinámica del puente, ha escrito un artículo sobre este malentendido.

Resonancia que causa una vibración en la Estación espacial internacional

Los motores del cohete para la Estación espacial internacional son controlados por el piloto automático. Generalmente los parámetros cargados para controlar el sistema de control de motor para el módulo de Zvezda harán que los motores del cohete incrementen la Estación espacial internacional a una órbita más alta. Los motores del cohete se montan por el gozne, y generalmente la operación no es notada por el equipo. Pero el 14 de enero de 2009, los parámetros cargados hicieron que el piloto automático balanceara los motores del cohete en oscilaciones más grandes y más grandes, en una frecuencia de 0.5 Hz. Estas oscilaciones se capturaron en el vídeo y duraron durante 142 segundos.

Véase también

Enlaces externos


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