Rezonans, bir sistemin kendi doğal frekansına eşit veya ona çok yakın bir frekansta dış bir kuvvet tarafından titreştirilmesi sonucunda, genliğinin aşırı derecede büyümesi olayıdır. Her sistemin (sarkaç, köprü, bina gibi) kendi yapısına özgü bir doğal titreşim frekansı vardır. Eğer dışarıdan uygulanan periyodik bir kuvvetin frekansı bu doğal frekansla eşleşirse, sistem rezonansa girer ve yıkıcı sonuçlar doğurabilir.

Rezonans Olayının Tanımı ve Örnekleri

Doğal Frekans: Bir cismin kendi haline bırakıldığında serbestçe salınım yaptığı frekanstır. Bu frekans, cismin kütlesine, boyutlarına ve yapıldığı malzemenin esneklik özelliklerine bağlıdır.

Rezonans Durumu: Dış bir kuvvetin (sürükleyici kuvvet) frekansı, cismin doğal frekansına eşit olduğunda rezonans gerçekleşir. Bu durumda, dış kuvvetin her itişi, cismin hareketini destekler ve salınım genliği sürekli artar.

• Örnekler:
  • Salıncak: Salıncakta sallanan birini düşünün. Her itişinizi salıncağın doğal salınım ritmine uygun yaptığınızda, salıncak daha yükseğe (genlik artışı) çıkar. Bu durum rezonanstır.
  • Müzik Aletleri: Bir müzisyenin çaldığı enstrümanın titreşimleri, yakınındaki başka bir enstrümanın tellerini rezonans yoluyla titreştirebilir.
  • Tacoma Narrows Köprüsü: 1940 yılında ABD’de inşa edilen bu köprü, rüzgarın oluşturduğu titreşimlerle rezonansa girerek yıkılmıştır. Bu olay, mühendislik tarihindeki rezonansın en bilinen örneğidir.

Deprem ve Rezonans İlişkisi

Depremler, yer kabuğundaki kırılmalar sonucu oluşan dalgalarla yayılan enerjidir. Bu deprem dalgalarının da kendine özgü bir frekansı bulunur. Binalar da kendi yapılarına, kütlelerine ve zemin özelliklerine bağlı olarak belirli bir doğal titreşim frekansına sahiptir.

Yıkıcı Etki: Eğer bir deprem dalgasının frekansı, bir binanın doğal titreşim frekansına denk gelirse, bina rezonansa girer. Bu durumda, küçük sarsıntılar bile binanın çok büyük genliklerle sallanmasına neden olabilir. Artan genlik, binanın yapısında ciddi hasarlar oluşturarak yıkılmasına yol açar.

Zemin ve Bina Yüksekliği: Zeminin yapısı da rezonans için önemlidir.

• Sert zeminler: Genellikle yüksek frekanslı deprem dalgalarını daha iyi iletirler.
• Yumuşak ve gevşek zeminler: Düşük frekanslı deprem dalgalarını daha iyi ileterek alçak frekanslı doğal frekansa sahip yüksek binalarda rezonans riskini artırır. Bu nedenle yüksek binalar sert zeminlere, alçak binalar ise yumuşak zeminlere inşa edilmelidir.

Depreme Karşı Güvenli Yapı Tasarımı

Mühendisler, binaların doğal frekanslarını deprem dalgalarının frekans aralığından uzak tutmak için özel tasarımlar kullanırlar.

• Esnek Yapı Malzemeleri: Çelik ve beton gibi esnek malzemeler kullanılarak binaların sallanma yeteneği artırılır, böylece rezonansın yıkıcı etkileri azaltılır.
• Temel İzolasyonu: Binaların temeli ile zemin arasına titreşim yutucu katmanlar yerleştirilir. Bu katmanlar, deprem dalgalarının enerjisini emer ve binanın rezonansa girmesini engeller.
• Yapı Tasarımı: Binaların yüksekliği, genişliği ve kullanılan malzeme, o bölgedeki deprem frekansları göz önünde bulundurularak tasarlanır.

Çözümlü Örnek Test Soruları

1. Soru Aşağıdaki durumlardan hangisi rezonans olayı için en uygun örnektir? A) Bir topun duvara çarpıp geri dönmesi B) Yüksek sesle şarkı söyleyen birinin cam bardağı çatlatması C) Işığın bir cam prizmadan geçmesi D) Bir yaya asılan cismin sabit hızla hareket etmesi

Çözüm: Yüksek sesin frekansı, cam bardağın doğal frekansına denk geldiğinde bardak rezonansa girer ve titreşim genliği artarak çatlamasına neden olabilir. Doğru Cevap: B

2. Soru Bir binanın doğal frekansı, deprem dalgasının frekansına eşit olduğunda ne gerçekleşir? A) Bina, depremden etkilenmez. B) Bina rezonansa girer ve salınım genliği artar. C) Bina olduğu yerde sabit kalır. D) Deprem dalgasının hızı artar.

Çözüm: Rezonans, iki frekansın eşleşmesi durumunda meydana gelir. Bu durum, salınım genliğini büyük ölçüde artırarak binanın yıkımına yol açabilir. Doğru Cevap: B

3. Soru Deprem mühendisleri, binaları tasarlarken rezonans riskini azaltmak için hangi yöntemi kullanırlar? A) Binayı daha ağır yapmak B) Binanın doğal frekansını deprem frekansından farklı tutmak C) Binayı daha yüksek yapmak D) Binanın altından su kanalları geçirmek

Çözüm: Rezonans riskini azaltmak için, binanın doğal frekansının, o bölgede yaygın olan deprem dalgalarının frekans aralığından farklı olması hedeflenir. Doğru Cevap: B

4. Soru Aşağıdakilerden hangisi bir sistemin doğal frekansını etkileyen faktörlerden biri değildir? A) Cismin kütlesi B) Cismin genliği C) Cismin boyutları D) Cismin yapıldığı malzemenin esnekliği

Çözüm: Bir cismin doğal frekansı, cismin genliğine bağlı değildir. Genlik, rezonans durumunda artan bir özelliktir. Doğru Cevap: B

5. Soru Bir deprem dalgasının yumuşak bir zeminde ilerlerken hızı ve frekansı nasıl değişir? A) Hız artar, frekans değişmez. B) Hız azalır, frekans değişmez. C) Hız ve frekans değişmez. D) Hız ve frekans artar.

Çözüm: Deprem dalgasının hızı, yayıldığı ortamın sertliğine bağlıdır; yumuşak zeminde hız azalır. Frekans ise dalga kaynağına (depreme) bağlıdır ve ortam değişse bile değişmez. Doğru Cevap: B