Risonanza

Si dice risonanza il fenomeno per cui un sistema oscillante è in grado di assorbire energia da una sorgente esterna in modo particolarmente efficiente solo ad una (o più) frequenze ben precise.

Esaminiamone le caratteristiche grazie ad un esempio:

  • Sappiamo per esperienza che una piccola spinta ad un’altalena la fa oscillare ad una frequenza ben precisa, detta frequenza propria che dipende dalla lunghezza dell’altalena, ma non dai dettagli della forza somministrata durante la spinta.
  • Se anziché applicare la spinta una sola volta la ripetiamo periodicamente nel tempo possiamo studiare come l’altalena risponde al variare della frequenza della nostra spinta.
  • Troveremo che, se la forza applicata dall’esterno ha una frequenza prossima alla frequenza propria dell’altalena, quest’ultima tende ad oscillare in modo sempre più ampio.
  • Invece, per frequenze della forza esterna molto maggiori o molto minori della frequenza propria, la nostra spinta ostacola l’oscillazione.
  • Concludiamo quindi che la frequenza naturale di oscillazione (o frequenza propria) è perciò anche la frequenza per cui una forza esterna trasferisce energia al sistema oscillante nel modo più efficiente.

Ogni sistema fisico caratterizzato da frequenze proprie di oscillazione può risuonare con una sorgente esterna.

Esempi di fenomeni di risonanza

Fenomeni naturali

Il fenomeno della risonanza caratterizza tutti i sistemi che abbiano le due proprietà necessarie per permettere le oscillazioni (corrispondenti ad inerzia ed elasticità nei sistemi meccanici), e lo si può osservare in moltissimi fenomeni naturali come:

  • risonanza e maree;
  • illusione acustica della conchiglia marina;
  • emissione e assorbimento di luce in risonanza da parte degli atomi;
  • pianeti e risonanze orbitali;
  • risonanze nelle costruzioni: ponti, grattacieli e smorzatori sismici, motori.

Sistemi fisici e dispositivi comuni

Il fenomeno della risonanza si può presentare anche in dispositivi e macchine costruite dall’uomo. Qui però dobbiamo distinguere due situazioni:

  1. il fenomeno è desiderato, in quanto permette l’amplificazione o la selezione di un segnale. È il caso della radio, del laser, dei filtri. La risonanza permette di sintonizzare l’apparecchio, cioè di ottimizzarne la risposta in una o più bande di frequenze ben precise.
  2. il fenomeno è indesiderato, in quanto il sistema in risonanza è soggetto a sollecitazioni che possono comprometterne l’integrità o il funzionamento. È il caso delle costruzioni (case, ponti, ecc.), in cui i materiali rischiano di deteriorarsi o rompersi, se sottoposti a sollecitazioni eccessive. La progettazione deve prevedere la possibilità di sollecitazioni in risonanza, e agire per desintonizzare la costruzione, smorzandone la risposta alle frequenze critiche.

In entrambi i casi la conoscenza del fenomeno ci permette di controllarlo, permettendo sia di favorire sia di inibire il comportamento risonante, a seconda del tipo di struttura. Nel seguito gli esempi sono catalogati a seconda del tipo di grandezze coinvolte. In ciascuna categoria si trovano esempi di risonanza “desiderata” e “indesiderata”.

Acustici

  • Risuonatori di Helmholtz
  • Il corpo degli strumenti musicali
  • Risonanza e acustica architettonica

Elettrici-elettronici

  • Filtri passabanda
  • Circuiti oscillanti e radio
  • Il forno a microonde

Ottici

  • Cavità Fabry-Pérot (etalon)

Magnetici

  • Risonanza magnetica nucleare

Dispositivi meno comuni

  • Il FEL (Laser a elettroni liberi)
  • L’ondulatore
  • Il Klystron