علوم پایه

گلوله‌ای از جنس موج!

رزونانس
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

قسمت اول: شیشه‌ای که با صدا شکست، پلی که با رژه ریخت!

بسیاری از پدیده‌های فیزیکی وجود دارند که همه‌ی ما تأثیرات آن را به کرات مشاهده کرده‌ و می‌کنیم هرچند این پدیده‌ها را هر روزه مشاهده می‌کنیم و برخی از آنها نقش‌ها مهمی در زندگی ما ایفا می‌کنند شاید هیچگاه با خود آنها آشنا نشویم. برخی از این پدیده‌ها و دلیل علمیشان را در کتاب‌های علوم دوران مدرسه اندکی مورد بررسی قرار می‌دهیم، اما برخی دیگر به طور تخصصی‌تر در مدارج بالاتر تحصیلات مربوطه مورد توجه قرار می‌گیرند. در این مقاله سعی شده است تا یکی از این پدیده‌ها با زبانی عمومی‌تر توضیح داده شود.
اولین بار در دوران ابتدایی بودم که با این پدیده آشنا شدم. آن زمان، یکی از مؤسساتی که کتب آموزشی (مربوط به دروس مدرسه و کنکور) منتشر می‌کرد، تصاویر روی جلد جالبی با توجه به موضوع کتاب انتخاب می‌کرد و پشت جلد کتاب نیز توضیح مختصری مربوط به تصویر روی جلد می‌داد. تصویر یکی از کتب فیزیکش ـ مربوط به دبیرستان که لای کتاب‌ها یکی از بزرگترها دیدم ـ تصویر لیوان شیشه‌ای پر از نوشیدنی‌ای بود که در حال خرد شدن عکاسی شده بود. (چیزی شبیه به تصویر این متن اما کمی جذاب تر) در پشت جلد کتاب توضیح داده شده بود که این لیوان بدون هیچ برخوردی یا شلیک گلوله و… تنها با صدا! شکسته است. در آن دوران هرچند این پدیده را از دید علمی نشناختم اما برایم جالب بود و این سؤال‌ها برایم ایجاد شد که یعنی واقعاً می‌توان با تولید صدا اجسام خراب کرد؟
بعدها در دوران دبیرستان سر یک کلاس فوق برنامه، استاد این کلاس از این پدیده نام برد و رابطه‌ی لرزش شیشه‌ها در اثر عبور وسیله‌ی نقلیه‌ای سنگین یا صدایی بلند با این پدیده را توضیح داد. در میان توضیحات بیان شد که مثلاً اگر در دیوار با ویژگی‌هایی یکسان (به دلیل مقطع تحصیلی توضیحات ابتدایی بیان می‌شدند.) داشته باشیم، اگر یکی از آنها فروبریزد، ممکن است دیوار کناری هم تخریب شود. این مسأله برای من غیر قابل هضم بود و به این فکر می کردم که مگر می‌شود؟ اینطور که خسارات ناخواسته‌ی زیادی به بناها تحمیل می‌شود. و سؤال دیگری از آن زمان در ذهنم نقش بست که هرچند اکثر معلمان و اساتید به این سؤال بهایی نمی‌دادند، تا مدت زیادی در ذهنم باقی ماند؛ اگر این پدیده‌ی مورد بحث وجود همینطور داشته باشد، آیا نمی‌توان از آن برای تخریب استفاده کرد؟
از قضا بعدترها به تحصیل در رشته‌ی مهندسی مکانیک پرداختم و در تحصیلات تکمیلی نیز به طور خاص‌تر وارد حوضه‌ای شدم که به این پدیده می‌پردازد یعنی دینامیک و ارتعاشات. از درس ارتعاشات در دوران کارشناسی که دیگر تخصصی این پدیده را شناختم، سؤال پیشین در ذهنم قوت گرفت و شکل عمومی‌تر آن این شد که؛ آیا می‌توان از این پدیده در صنایع نظامی و تسلیحاتی استفاده کرد؟
قبل از پاسخ به این سؤال بگذارید کمی با این پدیده آشنا شویم، اینطور شاید این سؤال ذهن شما را بیشتر قلقلک بدهد.

معرفی

پدیده‌ای که می‌خواهیم به آن بپردازیم، پدیده‌ی تشدید یا رزونانس[۱] در ارتعاشات[۲] است. شاید بتوان خیلی ساده اینطور گفت که هر جسمی یک مشخصه‌ی ارتعاشی به نام فرکانس طبیعی[۳] دارد، که اگر با این فرکانس وادار به ارتعاش شود، پدیده‌ی تشدید یا رزونانس رخ می‌دهد. باز هم به طور مختصر می‌توان گفت که رزونانس ارتعاش با فرکانسی مشخص (فرکانس طبیعی) است که موجب می شود دامنه‌ی نوسان افزایش یابد.
هرچند نقش رزونانس در زندگی روزمره بسیار پررنگ است، افراد عادی کمتر در مورد آن مطلع هستند. در مورد نقش‌هایی که این پدیده ایفا می‌کند، قبل از اینکه به طور اختصاصی به آن بپردازیم، به چند مورد به اختصار اشاره خواهیم کرد. کافیست همین‌قدر بدانید که اگر این پدیده را نمی‌شناختیم، ساعت‌های امروزی کوارتزی وجود نمی‌داشتند، سازها کوک نمی‌شدند، رادیو و تلویزیون به شکل امروزی وجود نداشتند، و از طرفی دیگر خرابی‌های بسیاری به وجود می‌آمد. چه پل‌ها و ساختمان‌هایی که تخریب نمی‌شدند و چه هلیکوپترهایی که سقوط نمی‌کردند.
شاید توجه بشر به ارتعاشات از روزی آغاز شد که اولین آلت موسیقی، احتمالاً طبل یا سوت، ساخته شد. از همان زمان موسیقی‌دانان و فلاسفه هر دو به دنبال قوانین تولید صدا گشتند و از آن برای تولید ابزار موسیقی بهتر استفاده کردند. به نظر می‌رسد اولین شخصی که موسیقی را به طور علمی مورد بررسی قرار داد، فیلسوف و ریاضیدان یونانی فیثاغورث[۴] (۵۲۸ تا ۵۰۷ پیش از میلاد) باشد.
گالیله[۵] (۱۵۶۴ تا ۱۶۴۲) که به عنوان بنیانگزار علوم تجربی کنونی شناخته می‌شود، با توجه به یک چراغ در حال نوسان در کلیسا، به مطالعاتی روی یک آونگ ساده پرداخت که بنیان نظریه ارتعاشات را شکل دادند. وی در «سخنی در مورد دو علم جدید[۶]» که در سال ۱۶۳۸ منتشر شد به ارتعاش اجسام می‌پردازد. وی در این رساله مباحثی را در مورد در مورد ارتباط فرکانس ارتعاش با طول یک آونگ ساده و همچنین پدیده‌ی ارتعاش همدردانه[۷] (همان رزونانس یا تشدید امروزی) مطرح کرده است.
دانشمندان زیادی بر علم ارتعاشات و بنیان‌های نظریه‌های آن نقش داشتند اما شاید بتوان نیکلا تسلا[۸] را استاد ارتعاشات دانست. او در یک آزمایش ساده یک مرتعش کننده (ویبراتور[۹]) را به ستونی آهنی در آزمایشگاهش در نیویورک متصل کرده و آن را به ارتعاش وادار کرد. تسلا مشاهده کرد که در فرکانس‌های خاصی، اشیای خاطی در اتاق شروع به جنبیدن می‌کنند. سپس با تغییر فرکانس، این جنبش به بخش دیگری از اتاق و اشیای دیگری منتقل می‌شد. متأسفانه او این مورد را محاسبه نکرده بود که ستون به پی ساختمان متصل است و ارتعاشاتی که ایجاد می‌کند و تمام منهتن[۱۰] سرایت می‌کند. برای تسلا اولین هشدار خطر وقتی به صدا در آمد که دیوارها و کف زمین شروع به تکان خوردن کردند و او زمانی دست از آزمایش کشید که پلیس به آزمایشگاهش وارد شد! از قرار معلوم تسلا زلزله‌ی خفیفی در محله ایجاد کرده بود که موجب شکستن شیشه‌ها، نوسان ساختمان‌ها و آمدن همسایگان وحشت‌زده به خیابان شده بود.
هرچند تسلا اولین کسی نبود که پدیده‌ی رزونانس را کشف کرد، به شدت مسحور آن شد و برخی از اثرات خارق‌العاده‌ی این پدیده را به نمایش درآورد. او هر دو مبحث ارتعاشات مکانیکی و الکتریکی را مطالعه کرده و در این راستا زلزله‌ی مصنوعی، چندین طوفان صاعقه‌‌ی مصنوعی ایجاد کرد. او همچنین یک نیروگاه در کلورادو را از کار انداخت و موجب تخریب تقریبی اسکلت فولادی یک آسمان‌خراش در حال ساخت در مهتن شد. تسلا پیش از مارکونی[۱۱] فهمید که اصول رزونانس می‌توانند برای ارسال و دریافت پیام‌های رادیویی مورد استفاده قرار گیرند.

با این داستان‌ها بیایید ببینیم رزونانس دقیقاً چطور اتفاق می‌افتد.

۲

Figure 1 – آزمایش متداول ایجاد موسیقی با لیوان‌های حاوی مقدارهای متفاوت آب

فرکانس طبیعی: هر شیئ دارای مشخصه‌ای به نام فرکانس طبیعی است. این شیء ممکن است یک سیستم مکانیکی یا یک مدار الکتریکی باشد. فرکانس تعداد نوساناتی است که این سیستم در یک ثانیه انجام می‌دهد. این نوسان می‌تواند یک حرکت رفت و برگشتی مکانیکی یا جریان یا ولتاژ متغیر باشد. فرکانس طبیعی فرکانسی است که اگر این سیستم را از شرایط تعادل خارج کنیم، بدون نیروی تحریک خارجی، با آن (فرکانس) نوسان خواهد کرد. سیستم‌های پیچیده‌تر می‌توانند چندید فرکانس طبیعی داشته باشند. حتماً تا به حال چند لیوان را پر از آب کرده‌ و با خودکار با آنها ضربه زده‌اید. اینکه لیوان‌های حاوی مقدار متفاوت آب صداهای متفاوتی ایجاد می‌کنند به دلیل داشتن فرکانس‌های طبیعی متفاوتی دارند.
تحریک با فرکانسی برابر فرکانس طبیعی:  تحریک برای سیستم‌ها مکانیکی یک نیروی متغیر است و برای سیستم‌های الکتریکی از یک میدان الکتریکی متغیر نشأت می‌گیرد. این تحریک موجب انتقال انرژی به سیستم یا شیء مورد نظر می‌شود. برای رخ دادن رزونانس، فرکانس تحریک باید با فرکانس طبیعی جسم برابر باشد.
نبود میرایی[۱۲]: برای اینکه این انرژی منتقل شده به سیستم موجب رزونانس شود، نباید در سیستم میراکننده، یعنی چیزی که موجب اتلاف انرژی می‌شود وجود داشته باشد. اصطکاک، مقاومت هوا، مقاومت الکتریکی از جمله‌ی میراکننده‌ها هستند. البته باید توجه داشت که در شرایط واقعی اتلاف انرژی صفر کمتر امکان‌پذیر می‌باشد اما در بسیاری از موارد قابل چشم‌پوشی است.
زمانی که فرکانس تحریک با فرکانس طبیعی جسم برابر شود، رزونانس شروع به وقوع می‌کند. نیروی تحریک دقیقاً در زمان مناسب به سیستم در حال نوسان انرژی وارد می‌کند و موجب می‌شود انرژی سیستم بیشتر شده و موجب می‌شود که دامنه‌ی نوسان بیشتر و بیشتر شود. این نوسانات بالاخره بیش از حد بزرگ می‌شود و اگر اتلاف انرژی زیاد نباشد، این نوسانات از حد تحمل سیستم خارج شده و سیستم متلاشی می‌شود.

دیاپازون

Figure 2 – دیاپازون  یا چنگال تنظیم

دیاپازون[۱۳] یا چنگال تنظیم[۱۴] بر اساس همین پدیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال دیاپازونی با یک فرکانس طبیعی خاص موسیقیایی ساخته می‌شود. شما ساز کوک ساز خود را طوری تنظیم خواهید کرد که نت نواخته شده در اثر ارتعاش سیم ساز، موجب ایجاد ارتعاش و پدیده‌ی رزونانس در دیاپازون شود.
و اینطور است که یک لیوان شیشه‌ای را می‌تواند با تولید صدا در یک فرکانس خاص شکست. و همینطور است که این پدیده می‌تواند موجب تخریب یک پل شود. در بسیاری از کتب فیزیک و ارتعاشات دلیل ریزش پل تاکوما نَروز در واشینگون در سال ۱۹۴۰ رزونانس ذکر شده است اما برخی دلایل دیگری را ارائه می‌دهند. اما پل انگر[۱۵] یا بس شین[۱۶] که در سال ۱۸۵۰ فروریخت و جان ۲۰۰ نفر را گرفت به دلیل برابری فرکانس ایجاد شده در اثر رژه‌ی سربازان بر روی پل با فرکانس طبیعی پل بوده است.

Figure 3 - پل بس شین در فرانسه  که در سال 1850 در اثر رزونانس فروریخت

Figure 3 – پل بس شین در فرانسه  که در سال ۱۸۵۰ در اثر رزونانس فروریخت

در قسمت بعدی این مقاله به کاربردهای پدیده‌ی رزونانس و پاسخ این سؤال که آیا میتوان از این پدیده در تسلیحات استفاده کرد می‌پردازیم.

پاورقی
[۱] Resonance
[۲] Vibrations
[۳] Natural Frequency
[۴] Pythagoras
[۵] Galilei
[۶] Discourses Concerning Two New Sciences
[۷] Sympathetic vibrations
[۸] Nikola Tesla
[۹] Vibrator
[۱۰] Manhattan
[۱۱] Marconi
[۱۲] Damping
[۱۳] Diapason
[۱۴] Tuning fork
[۱۵] Anger Bridge
[۱۶] Basse-Chaîne

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست