Rezonancia

     Význam slova „ rezonancia ” v Slovníku slovenského jazyka - predstavuje fyzické súčasné kmitanie spôsobené tým, že na teleso dopadá vlnenie naladené na rovnakú periódu; schopnosť telesa rozkmitať sa na rovnaký kmitočet ako zdroj;           Iná definícia zase hovorí o tom, že rezonancia je snaha systému kmitať na väčšej amplitúde, pri niektorých frekvenciách viac ako pri ostatných. Tieto frekvencie sú známe ako rezonančné frekvencie. Pri rezonančných frekvenciách môžu aj malé pravidelné sily spôsobovať veľké amplitúdy kmitov, pretože systém energiu kmitania uchováva.

     Najprv si, vysvetlime, čo je to kmitanie. Každé tuhé teleso, ak nie je ovplyvnené pôsobením vonkajších síl zostáva v priestore nehybné. Pridaním vonkajšej energie získa teleso v priestore kinetickú energiu, ktorá mu udelí moment hybnosti. Ak by teleso bolo umiestnené vo vákuu bez vplyvu gravitácie, potom by sa toto teleso mohlo pohybovať prakticky až do konca vesmíru (priestorovo aj časovo). Keďže takýchto telies v našom bežnom živote nestretávame veľa, budeme sa zaoberať podmienkami pre nás blízkymi. Budeme uvažovať s telesom, ktoré integruje s prostredím. V takomto prípade môžeme hovoriť, že ak na teleso v pokoji zapôsobíme krátkym impulzom energie, toto teleso sa vychýli zo svojej stabilnej polohy, ktorú označujeme ako nulový bod. Vplyvom gravitácie, tlmenia a iných fyzikálnych dejov sa teleso pokúša vrátiť späť do pôvodnej polohy, v ktorej bolo energeticky vyrovnané na nulu.

                                                         Obr. 1 – Sínusové kmitanie

     Frekvencia a amplitúda kmitania každého telesa alebo sústavy telies je definovaná troma základnými veličinami. Hmotnosťou, pružnosťou/pevnosťou a súčiniteľom tlmenia. Hmotnosť a pružnosť sú dané tvarom a materiálom telesa a v štandardných podmienkach zostávajú konštantné. Súčiniteľ tlmenia závisí aj od interakcie telesa s okolitým prostredím a môže sa v čase meniť. Táto zmena sa prejaví v čase potrebnom na utlmenie kmitania systému.

                                               Obr. 2 – Časový priebeh tlmeného kmitania

     Čo sa stane, ak do systému pridáme štvrtý člen v podobe generátora kmitania (rezonátor)?

     Ako už bolo spomenuté na začiatku článku, systém si uchováva energiu kmitania. Preto ak frekvencia systému a rezonátora budú vo frekvenčnom a fázovom súlade, dôjde k rezonancii sústavy a prejaví sa to na náraste amplitúdy kmitania pri zachovaní frekvencie. Tento jav je obzvlášť nežiadúci a nebezpečný, pretože v niektorých prípadoch môže viesť až k totálnej deštrukcii sústavy. Azda najznámejším prípadom deštrukcie vplyvom rezonancie je pád mostu Tacoma v novembri 1940.

                                              Obr. 3 – Časový priebeh rezonančného kmitania

      Rezonancia je v niektorých odvetviach žiadúcim javom, napríklad v hudbe, hodinárstve, laserových zariadeniach, a tď, ale v strojárstve a automatizácii je absolútne nežiadúca. Aplikácie, ktoré sú založené najmä na presnosti a opakovateľnosti pohybu by v prípade, ak by došlo k rezonancii boli nepoužiteľné. Preto pri návrhoch jednotlivých komponentov a aj výslednej zostavy je potrebné brať do úvahy aj rezonančné charakteristiky aplikácie a tiež použitých aktuátorov (pohonov). Z tohto dôvodu je potrebné vykonávať takzvané modálne analýzy. Tie nám umožnia, už v rannom štádiu navrhovania, odhaliť možné riziká spojené s rezonanciou jednotlivých komponentov, prípadne aj celej aplikácie.

                                                                 Obr. 4 – Príklad analýzy prirodzených frekvencii

    Ako príklad si môžeme vziať návrh industriálneho robota. Výsledky modálnej analýzy ukázali, že prvá modálna, alebo prirodzená frekvencia je na hodnote 59Hz. Z toho vyplýva že otáčky aktuátora by nemali dosiahnuť hodnotu 3540 ot. /min. Záver pre výrobcu tohto robota je buď zmena dizajnu, alebo obmedzenie výstupných otáčok aktuátora, ak chce zamedziť vzniku rezonancie a tak predísť riziku trvalého poškodenia, až deštrukcie robota.

    V dnešnej dobe plnej sofistikovaných IT analytických nástrojov je preto nanajvýš odporúčania hodné využívať ich potenciál už počas vývoja a tým predchádzať komplikáciám v neskoršej fáze výroby a prevádzky takýchto zariadení.

   Týmto pravidlom sa riadi aj slovenská spoločnosť SPINEA®, ktorá tieto systémy využíva pri navrhovaní vlastných produktov. Rovnako túto možnosť ponúka svojím zákazníkom a partnerom už počas ranného štádia vývoja aplikácie. Analýzy sa týkajú jednotlivých komponentov a aj výsledného celku. Vysokou výpovednou hodnotou výrazne prispievajú ku skvalitneniu finálneho produktu, prevádzkových vlastností a celkovej životnosti zariadenia zákazníka.