علوم پایه

گلوله‌ای از جنس موج (۲)/ تاب، تاب، همبازی!

رزونانس
نوشته شده توسط محمد حسین نیرین

در قسمت قبل توضیحاتی راجع به پدیده‌ی رزونانس یا تشدید ارائه شد و دیدید که چطور این پدیده می‌تواند موجب تخریب یک پل شود. در این قسمت می‌خواهیم ردپای رزونانس را با هم دنبال کنیم. پدیده‌ای که از یک اتفاق ساده‌ی زمان کودکی مانند تاب خوردن تا تکنولوژی‌های پیشرفته‌ی امروزی به آن وابسته هستند. برویم سراغ بازی زمان کودکی‌مان.
یکی از اولین مهندسی‌هایی که هر کودک، حتی در این دنیای دیجیتالی می‌آموزد، این است که چه زمانی همبازی‌اش را تاب بدهد تا بیشترین تأثیر روی بالا رفتن او داشته باشد. یا اینکه چگونه پاهایش را باز و بسته کند تا ارتفاع بیشتری بگیرد. و این یعنی همه‌ی ما بدون اینکه بدانیم، در همان کودکی رزونانس را می‌شناختیم.
هرباری که تاب به جلو می‌رود و به جای اصلیش باز می گردد یک دوره یا سیکل حساب می‌شود. زمان ۱۰ عدد از این دوره‌ها را اندازه بگیرید. تعداد دوره‌های (۱۰) را بر این زمان اندازه‌گیری شده تقسیم کنید، به همین راحتی شما فرکانس این تاب را بر حسب تعداد نوسان بر ثانیه یا همان هرتز اندازه گرفتید!
از آنجایی که تاب یک پاندول ساده است، می‌توان فرکانس طبیعی آن را از رابطه‌ی فرکانس پاندول محاسبه نمود.

photo_2016-05-29_21-55-55

در این رابطه‌ی ساده،  شتاب گرانش، و  طول زنجیر تاب یا طول پاندول ساده هستند. دقت کرده‌اید که وزن فرد در این رابطه نقشی ندارد؟ یعنی اگر شخص بالغ سنگینی روی تاب بنشیند یا یک کودک خردسال تفاوت چندانی ندارد و فرکانس‌ها تقریباً برابرند. مقداری تقاوت نیز ناشی از تفاوت مکان مرکز جرم افراد و تأثیر وزن فرد روی اتلاف انرژی در لولاهاست. اگر نیرویی برابر فرکانس طبیعی تاب به آن وارد شود، تاب دچار رزونانس می‌شود و دامنه‌ی نوسانات تاب در هر دوره‌ی رفت و برگشتی اضافه می‌شود. این نیرو می‌تواند توسط فردی که تاب را هل می‌دهد تأمین شود. اینطور است که حتی کودکان اگر زمان هل دادنشان را تنظیم کنند، می‌توانند یک فرد بالغ را تاب دهند. این نیرو ههمچنین می‌تواند توسط خود فرد تأمین شود. اگر فرد مرکز جرمش را در زمان مناسب اندکی با تکان دادن پاهایش تغییر دهد، نیروی مورد نیاز تأمین خواهد شد. ایجاد رزونانس نیروی بسیار اندکی می‌خواهد اما نکته‌ی مهم زمان‌بندی آن است.

فیزیک تاب

Figure 1 – فیزیک تاب

رادیوهای کریستالی یکی از بهترین لوازم نشان دادن رزونانس هستند. وقتی رادیو هنوز وسیله‌ی جدیدی بود، ست‌های کرسیتالی بهترین گیرنده‌ها بودند. آن‌ها به قدری ارزان و ساده هستند که می‌توانند به عنوان یک پروژه‌ی مدرسه هم ساخته شوند. این گیرنده‌ها به هیچ منبع انرژی ای نیاز ندارند و به واقع از هوا انرژی می‌گیرند. تعجب نکنید! این جادو نیست. در واقع انرژی مورد نیاز از گیرنده‌ها در هوا منتشر می‌شود. رادیوهای کریستالی یک القاگر و یک خازن در مداری الکتریکی دارند که این مدار طوری تنظیم می‌شود که با فرکانس فرستنده رزونانس کند. پس از آن سیگنال از یک دیود می‌گذرد تا جریان متناوب به مستقیم برای راه‌اندازی یک گوشی بسیار حساس تبدیل می‌شود.
ما امواج رادیو و تلویزیون را نمی‌بینیم اما آنها مانند نور نوعی از امواج الکترومغناطیسی هستند که طول موجشان بسیار بلندتر از نور مرئی ست. برای اینکه امواج رادیو و تلویزیون را تولید کنیم معمولاً کاری می‌کنیم که الکتروها در یک آنتن نوسان کنند. این کار توسط اعمال یک ولتاژ یا جریان متغیر به آنتن انجام می‌شود.  آنتن‌ها معمولاً از فلز ساخته می‌شوند و فلزات مانند اقیانوسی از الکترون‌ها هستند. اتم‌های یک فلز الکترون‌هایی دارند که دارای پیوندهای ضعیفی هستند و با یک تحریک ساده آزاد شده و به حرکت در می‌آیند. به همین دلیل فلزات رسانای خوبی برای جریان الکتریکی هستند.
زمانی که یک الکترون با بار منفی به حرکت در می‌آید، در اتم بار مثبت ایجاد می‌شود. حول هر بار الکتریکی، یک میدان الکتریکی ایجاد می شود و با حرکت یک میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. وقتی جریان متغیری به آنتن وارد شود، الکترون‌های آن را با حرکت در می‌آورد و به همین دلیل یک میدان مغناطیسی، با همان فرکانس جریان یا ولتاژ متغیر ورودی ایجاد می‌شود. این میدان که به لبه‌های آنتن می‌رسد، به صورت یک موج الکترومغناطیس از لبه‌های آنتن پخش شده و توسط آنتن بعدی دریافت ‌می‌شود. موج‌های آنتن با سرعت نور منتشر می‌شوند بنابراین از این آنتن به آن آنتن به سرعت انتقال پیدا می‌کنند.
موج‌های الکتریکی‌ای که در آنتن تشکیل می‌شوند معمولاً طول موج ثابتی دارند. اگر طول آنتن‌ها به خوبی انتخاب شود می‌توان آنها را به رزونانس وادار کرد. اگر طول آنتن برای رزونانس مناسب نباشد باز هم امواج زا مخابره می‌کند اما بازده سیستم بسیار کمتر خواهد بود.

امواج، جریان و رزونانس در یک آنتن

Figure 2 – امواج، جریان و رزونانس در یک آنتن

وسیله‌ی کوچکی به نام نوسانگر کریستالی وجود دارد که به دلیل استفاده از کریستال کوارتز به آن نوسانگر کوارتزی نیز گفته میشود. این وسیله هسته‌ی اصلی ساعت‌های کوارتزی‌ست. سالانه بیش از دو میلیارد از این قطعه ساخته می‌شود و بدون این قطعه به جز ساعت‌های کوارتز وسایلی مانند کامپیوتر، رادیو و تلفن‌های همراه به شکل امروزی وجود نداشتند. نوسانگر کریستال یک نوسانگر الکتریکی‌ست که رزونانس مکانیکی یک کریستال نوسان کننده را مورد استفاده قرار می‌دهد تا سیگنالی الکتریکی با فرکانسی دقیق تولید کند. وقتی یک کریستال کوارتز به درستی بریده و سوار شود، می‌توان با اعمال ولتاژ به الکترودی در نزدیکی یا روی آن کریستال را وادار کرد تا در یک میدان مغناطیسی تغییر شکل دهد. به این خاصیت الکترواستریکشن یا رزونانس معکوس گفته می‌شود. سپس وقتی میدان قطع شود، کوارتز هنگام بازگشت به وضعیت اولیه، میدانی تولید می‌کند و این خود می‌تواند تولید ولتاژ کند. این باعث می‌شود که کریستال مانند یک مدار RLC که متشکل از یک مقاومت، سلف و خازن است عمل کند که فرکانس رزونانس دقیقی را ایجاد می‌کند.

روزنیتور کریستالی

Figure 3 – یک روزنیتور کریستالی

رزونیتورهای کریستالی در یک مادربورد

Figure 4 – رزونیتورهای کریستالی در یک مادربورد

نام رزونانس و رزونیتور را در بسیاری از وسایل امروزی می‌بینیم. عبارت رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) شاید نامأنوس باشد، اما باید قدردان کاربرد خوب آن در پزشکی بود. MRI که مخفف Magnetic Resonance Imagin (تصویربرداری رزونانسی مغناطیسی) است، حتماً عبارتی آشناست. در واقع MRI کاربرد پزشکی NMR است. NMR پروسه ایست که در آن یک میدان مغناطیسی چرخان تولید می‌شود که موجب می‌شود هسته‌ی برخی از اتم‌ها از این میدان انرژی جذب کنند. در این پروسه هسته‌ی اتم وادار به جنبیدن می‌شود و سرعت جنبش آن با نیروی مغناطیسی که با فرکانس جنبیدن اتم‌ها رزونانس می‌کند تنظیم می‌شود.

تصویر برداری با استفاده از رزونانس

Figure 5 – MRI  – تصویر برداری با استفاده از رزونانس

یکی از استفاده‌های ملموس‌تر رزونانس، همین مایکروویوهایی هستند که در آشپزخانه‌های ما وجود دارند. مایکروویو از امواجی با فرکانس بالاتر از امواج رادیویی استفاده می‌کند. مانند بسیاری از وسایل مفید امروزی، مایکروفر نیز حاصل تحقیقات صنعتی نظامی جنگ جهانی دوم بود. این اجاق بدون اعمال حرارت خارجی، قادر به گرم کردن و پختن غذاست. هرچند غذاهایی هستند که در فرهای معمولی بهتر پخت می‌شوند اما مایکروفر می‌تواند به سرعت و بدون خشک شدن غذا را گرم کرده و طبخ کند. اساس کار مایکروفرها این است که اتم‌های همه‌ی مواد را می‌تواند به ارتعاش در آورد. با رسیدن به فرکانس رزونانس، فر به غذا انرژی به صورت گرما اضافه می‌دهد. اما پیدا کردن فرکانس رزونانس همه‌ی مواد در همه‌ی شرایط کاری دشوار و در یک مایکروفر ناممکن است. پس مایکروفر تنها با یک فرکانس رزونانس می‌کند، با فرکانس ماده‌ای که در تمام خوراکی‌ها وجود دارد: آب!
با استفاده از آنتن کوچکی، این امواج مایکرویو به محفظه‌ی طبخ می‌تابند. این امواج در مواجهه با مولکول‌های آب آنها را به رزونانس وادار می‌کنند. مولکول‌های آب در حال ارتعاشی در حدود چند میلیون بار در ثانیه هستند و این ارتعاشات و اصطکاک بین مولکول آب و سایر مولکولها موجب تولید گرما و طبخ غذا می‌شود.

مایکروفر

Figure 6 – مایکروفر – یکی از پر کاربرد ترین وسایل رزونانس کننده

رزونانس کاربردهای وسیعی در زندگی امروزی ما دارد، در این متن به اقتضای اختصار به برخی کاربردها اشاره شد تا قدرت این پدیده و کارهایی که با آن می‌توان انجام داد را نشان دهیم. حال به سؤال اولیه‌ی قسمت اول این مقاله می‌رسیم. آیا می‌توان از این پدیده در صنایع نظامی و تسلیحاتی استفاده کرد؟

درباره نویسنده

محمد حسین نیرین

دیدگاه شما چیست