ما هي ظاهرة الرنين؟
يحدث الرنين عندما تتذبذب مادة بسعة عالية بتردد معين. نسمي هذا التردد الطنيني. يعرّف الرنين بأنّه “حالة النظام الذي ينتج فيه اهتزاز كبير بشكل غير طبيعي استجابة لمحفز خارجي، ويحدث عندما يكون تردد المنبه هو نفسه، أو تقريبًا مثل تردد الاهتزاز الطبيعي للنظام.” تعرف الفيزياء الرنين على أنّه ظاهرة تجبر فيها قوة خارجية أو نظام اهتزازي نظامًا آخر حولها على الاهتزاز بسعة أكبر عند تردد محدد للعملية.
الرنين في الفيزياء هو استجابة انتقائية كبيرة نسبيًا لجسم أو نظام يهتز في خطوة أو طور، بقوة تذبذبية مطبقة خارجيًا. تم فحص الرنين لأول مرة في الأنظمة الصوتية مثل الآلات الموسيقية وصوت الإنسان. مثال على الرنين الصوتي هو الاهتزاز الناجم عن الكمان أو سلسلة البيانو لنغمة معينة عند غناء نغمة موسيقية من نفس الدرجة أو عزفها في مكان قريب.
في تطبيقات الصوت، تردد الطنين هو تردد طبيعي للاهتزاز تحدده المعلمات الفيزيائية للجسم المهتز. تنطبق هذه الفكرة الأساسية نفسها عن الترددات الطبيعية المحددة ماديًا في جميع مجالات الفيزياء في الميكانيكا والكهرباء والمغناطيسية، وحتى في جميع أنحاء عالم الفيزياء الحديثة.
فيما يلي سرد أمثلة على الرنين التي يمكننا أن نشهدها في حياتنا اليومية:
آلات موسيقية
يمكن ملاحظة أفضل الأمثلة على الرنين في مختلف الآلات الموسيقية من حولنا. عندما يضرب أي شخص أو يقرع أو يقرع على أية آلة موسيقية، يتم ضبط الآلة على التذبذب أو الاهتزاز عند التردد الطبيعي للاهتزاز للأداة. يحدد نمط الموجة الدائمة الفريد كل تردد اهتزاز كأداة محددة.
تُعرف هذه الترددات الطبيعية للآلة الموسيقية على نطاق واسع باسم التوافقيات للآلة المحددة. إذا اهتز جسم أو أداة ثانية مترابطة أو اهتزت عند هذا التردد المحدد، فيمكن إجبار الجسم الأول على الاهتزاز بتردد أعلى من تردده التوافقي الطبيعي. تُعرف هذه الظاهرة بالرنين، أي أنّ أحد الأشياء يهتز أو يتأرجح عند التردد الطبيعي لجسم آخر يجبر الجسم الآخر على الاهتزاز بتردد أعلى من تردده الطبيعي.
التأرجح
أحد الأمثلة المألوفة للرنين هو التأرجح. من المعروف أنّ التأرجح يتحرك للأمام وللخلف عند دفعه. إذا تمّ إعطاء سلسلة من الدفعات المنتظمة للأرجوحة، فيمكن بناء حركتها. يجب على الشخص الذي يدفع الأرجوحة أن يتزامن مع توقيت التأرجح. يؤدي هذا إلى زيادة السعة لحركة التأرجح للوصول إلى مستوى أعلى. بمجرد أن يصل التأرجح إلى تردده الطبيعي للتذبذب، فإنّ الدفع اللطيف للأرجوحة يساعد في الحفاظ على اتساع التأرجح بسبب الرنين. ولكن إذا كانت الدفعة المعطاة غير منتظمة، فلن يهتز التأرجح بصعوبة، ولن تؤدي هذه الحركة غير المتزامنة أبدًا إلى صدى، ولن يرتفع التأرجح أعلى.
الجسر
يُطلب من مجموعة الجنود الذين يسيرون على الجسر كسر خطواتهم في كثير من الأحيان؛ لأنّ مسيرتهم الإيقاعية يمكن أن تحدث اهتزازات شديدة على التردد الطبيعي للجسر. يمكن أن ينكسر الجسر إذا كانت الخطوات المتزامنة تتناسب مع التردد الطبيعي للجسر. أحد الأمثلة على ما سبق هو انهيار جسر تاكوما، حيث يتطابق تردد الهواء مع تردد الجسر الذي يؤدي إلى تدميره.
كيف يمكن حساب تردد الرنين؟
تردد الرنين هو تردد الاهتزاز الطبيعي لجسم ما، وعادةً ما يشار إليه بالرمز f بصفر منخفض (f0). يُشاهد الرنين في الأشياء التي تكون في حالة توازن مع القوى المؤثرة، ويمكن أن تستمر في الاهتزاز لفترة طويلة في ظل ظروف مثالية. لإيجاد تردد الرنين لموجة واحدة مستمرة، نستخدم الصيغة v=λf، حيث v هي سرعة الموجة وλ هي مسافة الطول الموجي.
أنواع الرنين
من المعروف أنّ الرنين الميكانيكي، مثل الذي ينتج في الجسور بفعل الرياح أو من خلال مسيرة الجنود، قد تراكم بنسب كبيرة بما يكفي لتكون مدمرة، كما في حالة تدمير جسر تاكوما الضيق (qv) في عام 1940. كما يجب تصميم الطائرات والمركبات السطحية بحيث تكون الاهتزازات التي تسببها محركاتها أو حركتها في الهواء في حدها الأدنى الآمن.
تمّ اكتشاف شكل من أشكال الرنين مشابه إلى حد ما لنوع معين من الرنين الميكانيكي على المستوى النووي. تحدث هذه الظاهرة، المسماة بالرنين المغناطيسي، عندما تستجيب الذرات أو نواتها لتطبيق مختلف المجالات المغناطيسية عن طريق إصدار أو امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي من ترددات الراديو والميكروويف.
الرنين الميكانيكي
يمكن تعريف الرنين الميكانيكي على أنّه ميل النظام الميكانيكي للاستجابة بسعة أكبر عندما يتطابق تردد اهتزازاته مع التردد الطبيعي للاهتزاز للنظام (تردد الرنين أو تردد الرنين) مقارنة بالترددات الأخرى.
الرنين الصوتي
الرنين الصوتي هو ظاهرة يقوم فيها النظام الصوتي بتضخيم الموجات الصوتية التي يتطابق ترددها مع أحد تردداته الطبيعية للاهتزاز. يعد الرنين الصوتي أحد الاعتبارات المهمة لصانعي الأدوات، حيث تستخدم معظم الأدوات الصوتية مثل طول الأنبوب في الفلوت وأوتار الكمان وجسمه وشكل غشاء الطبل الرنانات. الرنين الصوتي مهم أيضًا للسمع.
الرنين الكهربائي
يحدث الرنين الكهربائي في الدائرة عندما يكون التفاعل الحثي والمفاعلة السعوية متساويين في الحجم، حيث يتم إعطاء تردد الطنين في دارة LC بواسطة الصيغة الرنين الكهربائي.
الرنين في الأنظمة الكهربائية له طبيعة مختلفة نوعًا ما. إنّ حدوثه في الدوائر الحساسة للتردد (التيار المتردد) يجعل من الممكن لأجهزة الاتصال المزودة بهذه الدوائر قبول إشارات ترددات معينة بينما ترفض أخرى. في مستقبل التلفزيون، على سبيل المثال، يحدث الرنين عندما يكون تردد إحدى الإشارات الواردة التي تصل إلى الدائرة قريبًا من التردد الطبيعي للدائرة، والتي تستجيب بعد ذلك بامتصاص أقصى طاقة من الإشارة، حيث يرتفع التيار داخل الدائرة للخلف ويصعد إيابا مع التيار الضعيف جدا فيه.
