LA RISONANZA MECCANICA

Il concetto di risonanza meccanica e` un concetto fondamentale quando si parla di ingegneria e soprattutto di strutture e meccanica. E` un fenomeno che riguarda il comportamento dinamico di un sistema qualunque.

Cosa significa comportamento dinamico? Semplicemente, dinamico e` cio` che si muove, il contrario di statico, fermo

In relta` ogni corpo, anche se sembra statico, si muove. Prendiamo ad esempio una casa: da un punto di vista macroscopico e` ferma, ma in realta` la sua struttura sara` costantemente soggetta a vibrazioni (per esempio quando camminiamo su un pavimento, la struttura della casa vibra).

Questo e` un aspetto molto importante nella fase di progettazione di una struttura qualsiasi: non bisogna solo fare in modo che una struttura mantenga i carichi, ma bisogna anche fare in modo che questa non assuma un comportamento dinamico inaspettato e pericoloso, per esempio mettendosi a vibrare in modo intenso rischiando di collassare.

Ed e` qui che entra in gioco il concetto di risonanza. La risonanza e` una particolare situazione in cui un corpo, un sistema, una struttura, inizia a vibrare molto intensamente, con ampiezze di oscillazione relativamente grandi. Questo avviene quando la struttura viene eccitata con una certa frequenza, detta appunto frequenza di risonanza. Ogni corpo, sistema, struttura, possiede molte frequenze di risonanza (concettualmente infinite), ovvero, e` caratterizzato da particolari frequenze per cui, se mettiamo in oscillazione la struttura ad una di queste frequenze, riusciamo a farla vibrare molto intensamente anche spendendo poca energia, poca forza. Al contrario, se mettiamo in oscillazione la stessa struttura ma ad una frequenza lontana da una delle frequenze di risonanza, faremo molta fatica a farla oscillare, dovremo spendere molta piu` energia. 

Tutti noi abbiamo provato a spingere un amico sull'altalena. Sappiamo bene che se riusciamo a spingere al momento giusto, in modo perfettamente coordinato, o, usando un linguaggio adeguato, in fase e con la giusta frequenza, dobbiamo spendere pochissima energia per far aumentare l'ampiezza di oscillazione. Basta una spintarella ma data al momento giusto, ovvero quando l'altalena si ferma venendoci incontro per poi ripartire, per far aumentare l'ampiezza di oscillazione.

Possiamo vedere questo concetto da un altro punto di vista: la risonanza e` una situazione in cui il trasferimento di energia dalla forzante (cio` che mette in oscillazione la struttura, per esempio un terremoto nel caso di una casa) alla struttura e` molto efficiente, l'energia viene trasferita con grande facilita`. Al contrario, lontano dalla risonanza, il trasferimento di energia e` poco efficiente. 

Come detto prima, le frequenze di risonanza sono una caratteristica propria di una struttura. Nel momento in cui decidiamo il materiale con cui realizzarla, la geometria e la quantita` di materiale, avremo deciso indirettamente quali saranno le frequenze di risonanza della struttura. Le frequenze di risonanza dipendono infatti dalla rigidezza della struttura (che dipende dal materiale usato e della geometria) e dalla sua massa. Maggiore la rigidezza, maggiori le frequenze di risonanza, maggiore la massa, minori le frequenze di risonanza.

Quindi, per progettare una struttura sicura, bisognera` conoscere quali potrebbero essere le frequenze di tutte le possibili forzanti alle quali la nostra struttura sara` soggetta nel corso della sua vita e realizzare quindi la struttura in modo tale che le sue frequenze proprie siano lontane dalle frequenze delle forzanti con cui si avra` a che fare.

Questo grafico mostra la risposta di una struttura in funzione della frequenza a cui viene messa in oscillazione. I picchi coincidono con le frequenze di risonanza: se facciamo oscillare la struttura con una frequenza pari ad una frequenza di risonanza, la risposta diventa intensa.

Facciamo un esempio: i terremoti hanno frequenze tipicamente inferiori a 20 Hz. Se realizzassimo una casa che abbia almeno una frequenza propria prossima ai 20 Hz, rischieremmo grosso. Quindi, bisognera` realizzare una struttura con frequenze di risonanza molto piu` alte. Possiamo ottenere questo aumentando la rigidezza della struttura (come detto sopra, aumentando la rigidezza aumentano le frequenze di risonanza). Per aumentare la rigidezza possiamo per esempio aggiungere piu` ferro al cemento. In questo modo, anche se arrivera` un terremoto molto intenso, la nostra struttura, avendo frequenze di risonanza lontane da quella del terremoto, oscillera` poco, perche` il trasferimento di energia sara` molto poco efficiente. Sembra magia, ma non lo e`.

Questo video illustra il concetto di risonanza egregiamente. La piastra viene mossa utilizzando sempre la stessa potenza (detto in altre parole, l'energia consumata dal motore elettrico che la muove e` sempre la stessa durante tutto il video). Cio` che viene fatto variare e` solo ed esclusivamente la frequenza. Quando siamo lontani dalla frequenza di risonanza del corpo (in questo caso si sono realizzati, per semplicita`, dei corpi con una sola frequenza di risonanza), questo vibra poco. Quando ci si avvicina alla frequenza di risonanza, il corpo inizia ad oscillare all'impazzata.

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