В тази публикация в блога ще се съсредоточим върху „Принципът на резонанса и примери в архитектурата и ежедневието“.
Въведение
Спомняте ли си как ритате с крака, за да се люлеете по-високо на люлка, когато сте били дете? Можете ли да повярвате, че принципът зад това просто действие – което изпълняваме естествено без никакви инструкции – би могъл да събори дори най-здравите конструкции, които можем да си представим, за миг?
Принципът на резонанса
Резонансът е обикновено явление, при което амплитудата се увеличава и енергията се натрупва, когато външна сила със същата честота се приложи към обект, който вече има специфична честота на вибрации. Често цитиран пример е срутването на моста Такома Нароус в щата Вашингтон, САЩ. Мостът Такома Нароус, построен през проток близо до брега, е бил висящ мост с палуба, закрепена с кабели, свързани с колони от двете страни; той е бил тесен и дълъг приблизително 853 метра. Въпреки че първоначално е бил проектиран да издържа на ветрове до 53 метра в секунда, скоростта на вятъра по време на срутването е била само 19 метра в секунда. Когато този вятър е ударил тънката палуба, той е причинил вибрации, чиято честота е съответствала на естествената честота на моста, задействайки резонансно явление, което е усилило вибрациите. В крайна сметка мостът не е могъл да издържи на вибрациите и се е срутил.
Нека разберем това чрез един прост експеримент. Когато тежест, окачена на връв, се люлее напред-назад, ако леко я натиснете в посока на движението ѝ в подходящия момент, люлеенето става прогресивно по-голямо. Когато интервалът на люлеене на тежестта съвпада с интервала на вашите натискания, амплитудата се увеличава – точно така възниква резонансът.
Прилагането на този процес към сгради може да повдигне въпроса: „Не започва ли резонансът само ако сградата вече се тресе?“ В момента, в който вятърът удари сграда, обаче, тя започва да вибрира. Тъй като сградите над определена височина винаги са изложени на вятъра, те могат да се разглеждат като системи, които постоянно вибрират. Разбира се, те са оптимизирани по време на проектирането, за да се сведе до минимум вътрешното въздействие, така че обикновено е трудно да се усетят вибрациите, предизвикани от вятъра, вътре в сградата.
Важно е да се отбележи, че всяка сграда има своя собствена честота. Точно както почукването по няколко чаши, пълни с различни количества вода, произвежда различни звуци, сградите също вибрират със свои собствени уникални естествени честоти. Когато една конструкция вибрира, тя винаги го прави със своята специфична естествена честота.
Друг въпрос е как вятърът кара сградата да вибрира, когато действа върху нея. Представете си, че размахвате ръка под вода. Дори ако я движите право напред със сила, можете да усетите как се люлее от едната страна на другата поради съпротивлението на водата. Тъй като въздухът също е течност, когато вятърът духа срещу сграда, върху конструкцията се прилага подобен тип вибрация, както когато ръката ви се люлее под водата.
Проблемът възниква, когато честотата на вибрациите, причинени от вятъра, съвпада с естествената честота на сградата. Ако тази ситуация продължава, сградата се оказва в същото затруднение като махалото в предишния пример. Когато външна сила поддържа постоянна амплитуда и честотата съвпада с естествената честота на сградата, амплитудата постепенно се увеличава, докато в крайна сметка надхвърли структурния лимит на сградата, което потенциално води до срутване. Точно както Давид победи гиганта Голиат, дори бриз, който ни се струва нежен, може да събори сграда.
Рисковете и приложенията на резонанса
Въпреки това, няма нужда да се чувствате тревожни всеки път, когато сте в сграда. Поуки от минали бедствия, областта на вибрационното инженерство е напреднала и повечето сгради са проектирани по време на фазата на планиране, за да се сведе до минимум резонансът, предизвикан от вятъра. Освен това, разпоредбите изискват инсталирането на амортисьори (виброабсорбатори) в сгради над определена височина, за да се намали резонансът, което значително намалява действителния риск.
От друга страна, резонансът не е явление, което трябва да се избягва на всяка цена. Около нас има много технологии, които използват резонанс. Отличен пример е апаратът за магнитно-резонансна томография (MRI), който генерира вибрации с честота, съответстваща на естествената резонансна честота на водородните ядра в човешкото тяло, за да получи вътрешни изображения. Той създава изображения чрез откриване на енергията, излъчвана от резонанса на водородните ядра в тялото, което кара енергията им да се повиши и след това да се върне в първоначалното си състояние.
Освен това, звуците, произвеждани от музикални инструменти, като струнни и духови инструменти, са отлични примери за резонанс в действие. Струнните инструменти произвеждат звук чрез резонанса на струните си, докато духовите инструменти използват резонанса на въздуха в тръбите си; в зависимост от това къде свирачът държи инструмента или как го манипулира, резонансът възниква на специфични честоти, произвеждайки желаните ноти.
Поради това, макар резонансът да може да застраши човешкия живот, разбирането на неговата природа и правилното му използване може да го направи и полезен инструмент за цивилизацията. Следващия път, когато присъствате на оркестрово представление или се подлагате на ядрено-магнитен резонанс, си спомнете историята за Давид и Голиат. Като размишлявате както върху разрушителната сила, скрита в лекия бриз, така и върху ползите, които резонансът носи в живота ни, ежедневието ви ще стане малко по-интересно.
