الرنين: التعريف والأنواع والتكرار والأمثلة

الجميع يعرف المجاز القديم حيث يضرب مغني الأوبرا القوي النغمة الصحيحة ويتحطم زجاج كريستالي من الضوضاء ، لكن هل هذا ممكن حقًا؟ قد يبدو الموقف بعيد المنال ، كشيء من المرجح أن تراه في الأفلام أو الرسوم المتحركة أكثر من الواقع.

في الواقع ، ظاهرة صدى يعني أنه ممكن تقنيًا في الحياة الواقعية ، سواء كان تردد الرنين (الذي يطابق التردد الطبيعي للزجاج) يتم إنتاجه بصوت شخص ما أو بصوت واحد أو أكثر الادوات.

يمنحك تعلم المزيد عن الرنين فهمًا لكيفية عمل الصوت ، والمبادئ التي يقوم عليها الكثير الآلات الموسيقية وكيفية زيادة أو تقليل الحركة في نظام ميكانيكي مثل مجموعة التأرجح أو الحبل كوبري.

الكلمة صدى في الأصل يأتي من اللاتينية صدى، وتعني "صدى" ، وهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالرنين ، مما يعني إعادة صدى أو "صوت مرة أخرى". هؤلاء هناك تعريفان يتعلقان بالفعل بالموجات الصوتية ويعطيانك صورة أساسية لمعنى الكلمة في الفيزياء جدا.

ومع ذلك ، وبشكل أكثر تحديدًا ، فإن تعريف الرنين في الفيزياء يكون عندما يتطابق تردد التذبذب أو الاهتزاز الخارجي مع كائن (أو تجويف) تردد طبيعيونتيجة لذلك إما أن يتسبب في اهتزازه أو زيادة اتساع اهتزازه.

في الأنظمة الميكانيكية ، يشير الرنين إلى تضخيم الصوت أو الاهتزازات الأخرى أو تقويتها أو إطالة أمدها. تمامًا كما في التعريف أعلاه ، يتطلب هذا قوة دورية خارجية يتم تطبيقها على تردد يساوي التردد الطبيعي لحركة الجسم ، والذي يسمى أحيانًا بالرنين تردد.

جميع الكائنات لها تردد طبيعي أو تردد طنين ، والذي يمكنك التفكير فيه على أنه التردد الذي "يحب" الكائن أن يهتز به. على سبيل المثال ، إذا نقرت على زجاج بلوري بظفر إصبع ، فسوف يبدأ في الاهتزاز بتردد الرنين الخاص به وينتج "نغمة" مع نغمة مقابلة. يعتمد تواتر الاهتزاز على الخصائص الفيزيائية للجسم ، ويمكنك التنبؤ بهذا جيدًا لبعض الأشياء مثل الخيط المشدود.

سيساعدك التعرف على بعض أمثلة الرنين على فهم الأشكال المختلفة للرنين التي تواجهها في حياتك اليومية. المثال الأكثر شيوعًا وأبسطها هو الموجات الصوتية ، لأنك عندما تهتز أحبالك الصوتية على اليمين التردد (لتجويف الحلق والفم) ، يمكنك إنتاج نغمات الكلام والنغمات الموسيقية التي يقوم بها الآخرون يمكن أن تسمع.

ينتج عن اهتزاز الحبال الصوتية موجات صوتية ، وهي في الحقيقة موجات ضغط في الهواء تتكون منها المقاطع المضغوطة بالتناوب (بكثافة أكبر من المتوسط) والخلخلة (بأقل من المتوسط كثافة).

تعمل معظم الآلات الموسيقية بنفس الطريقة. على سبيل المثال ، في آلة نحاسية ، يؤدي اهتزاز شفتي اللاعب على لسان الحال إلى الاهتزاز الأولي ، وعندما يتطابق ذلك مع الرنين التردد (أو مضاعفاته) لحجم الأنبوب الذي ينفخ فيه ، يوجد صدى ، ويزداد اتساع التذبذب بشكل ملحوظ وينتج نغمة مسموعة.

في آلات النفخ الخشبية ، هناك "قصبة" تهتز عندما يمر الهواء فوقها ، ومرة ​​أخرى ، نفس عملية الرنين والتضخيم تحول هذا الاهتزاز الصغير إلى نغمة موسيقية مسموعة. تختلف الآلات الوترية مثل الجيتار قليلاً ، لكن الأوتار لها تردد اهتزاز رنان ، و تصدر الموجات الصوتية صدى في التجويف (على سبيل المثال ، في الفراغ الموجود في جسم الغيتار الصوتي) لإحداث الضوضاء بصوت أعلى.

أبسط مثال هو عندما تسقط أداة أو لوحة على الأرض. تحدث الضجة الناتجة عن اهتزاز الأداة أو اللوحة بتردد الرنين الخاص بها. يتم استخدام هذه الطريقة الأبسط لتوليد الصوت من خلال الشوكات الرنانة المصممة بعناية ، والتي تم تصميمها على هذا النحو لإنتاج نغمة معينة كتكرار طبيعي ، يمكن للموسيقيين بعد ذلك ضبط آلاتهم ل.

على الرغم من أن الرنين يستخدم عادة للإشارة إلى الموجات الصوتية ، إلا أن الرنين الميكانيكي يسهل فهمه من بعض النواحي. مثال بسيط هو تعلم طفل لضخ أرجوحة لأول مرة. الحركة التذبذبية للأرجوحة لها تردد طبيعي ، وعندما يتعلم الطفل الدفع (أي تطبيق قوة دورية) عند التردد الطبيعي للتأرجح ، يصبح دفعها أكثر من ذلك بكثير فعال. نتيجة لذلك ، يزداد اتساع اهتزاز الأرجوحة ويزداد الشخص الجالس عليها في كل مرة.

ومع ذلك ، فإن ضرب التردد الطبيعي لجسم ما ليس بالأمر الجيد دائمًا. على سبيل المثال ، يمكن للجنود الذين يسيرون عبر جسر حبلي في انسجام تام أن يتسبب في اهتزازه خارج نطاق السيطرة وربما حتى الانهيار إذا خطوا على تردده الطبيعي. في مثل هذه الحالات ، قد يطلب منهم الجنرال "كسر الخطوة" حتى لا يطبقوا قوة دورية على التردد الطبيعي للجسر.

حتى تصميمات الجسور الأكثر ثباتًا لها ترددات طنين ، لكن هذا يتسبب فقط في مشكلة لأسباب نادرة (مثل جسر بروتون المعلق ، جسر في إنجلترا انهار في عام 1831 ، من المفترض أن الجنود يسيرون في خطوة عبر كوبري).

تعتمد الساعات التناظرية أيضًا على الرنين الميكانيكي والتردد الطبيعي للمكون للحفاظ على الوقت. على سبيل المثال ، تستخدم ساعات البندول التردد الطبيعي لتأرجح البندول للحفاظ على الوقت ، وتعمل عجلة التوازن على نفس المبدأ الأساسي. حتى ساعات الكوارتز البلورية تعتمد على تردد الرنين ، ولكن في هذه الحالة ، تنظم البلورة تذبذب من مذبذب إلكتروني ، مما يؤدي إلى تحسينات هائلة في الدقة مقارنة بالأبسط تصميمات.

هناك العديد من أشكال الرنين الأخرى أيضًا ، وكلها تعمل على نفس المبدأ الأساسي. هناك مثالان آخران للرنين ستكون على دراية بهما يتعلقان بالذبذبات الكهرومغناطيسية بدلاً من التذبذبات الميكانيكية. الأول هو الميكروويف الخاص بك.

تنتج الموجات التي ينتجها الميكروويف حرارة في طعامك لأن ترددها يطابق تردد الرنين الخاص بـ جزيئات داخل الطعام (على سبيل المثال ، جزيئات الماء والدهون) ، مما يؤدي إلى تذبذبها وبالتالي إطلاق الطاقة في الشكل من الحرارة.

مثال آخر هو هوائي التلفزيون أو حتى هوائي الراديو. تم تصميم هذه الأجهزة لتعظيم امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وعندما تقوم "بضبط" الهوائي على تردد معين ، فأنت تقوم بضبط تردد الرنين للجهاز. عندما يتطابق تردد الهوائي مع تردد الإشارة الواردة ، فإنه يتردد صداها و "يلتقط" التلفزيون أو الراديو الإشارة.

الآن بعد أن فهمت النقاط الأساسية حول تعريف الرنين وما هو تردد الرنين ، يمكنك أن تفهم المثال الكلاسيكي لمغني تمكن من كسر زجاج بلوري بالغناء على اليمين يقذف. للزجاج تردد طنين ، وإذا أصدر المغني صوتًا بتردد مطابق ، سيبدأ الزجاج في الاهتزاز. وهذا ما يسمى ب الاهتزاز الودي لأنه قبل أن يصدر المغني ضوضاء ، كان الزجاج ساكنًا تمامًا.

في البداية ، قد يكون هناك اهتزاز صغير في الزجاج ، لكن جعله يتحطم في الواقع يتطلب ملاحظة مستمرة وصاخبة بالتردد الصحيح. إذا تمكن المغني من القيام بذلك ، فإن اتساع اهتزاز الزجاج يزيد ويبدأ في النهاية في الإضرار بالسلامة الهيكلية للزجاج. إنها فقط في هذه المرحلة - عندما يتم الحفاظ على النغمة لفترة كافية حتى يصل اهتزاز الزجاج إلى أقصى سعة يمكنه دعمها - عندما ينكسر الزجاج بالفعل.