Всички познават стария троп, където силен оперен певец удря правилната нота и кристално стъкло се чупи от шума, но наистина ли е възможно? Ситуацията може да изглежда фалшива, като нещо, което е много по-вероятно да видите във филми или анимационни филми, отколкото в реалния живот.
Всъщност феноменът на резонанс означава, че е технически възможно в реалния живот, независимо дали резонансната честота (тази, която съвпада естествената честота на стъклото) се произвежда от нечий глас или от един или много мюзикъли инструменти.
Научаването на повече за резонанса ви дава разбиране за това как звукът работи, принципите, на които се основават мнозина музикални инструменти и как да увеличите или намалите движението в механична система като люлка или въже мост.
Определение за резонанс
Думата резонанс първоначално идва от латинския резонанс, което означава „ехо“ и е тясно свързано с звука, което означава да се върне ехо или „звук отново“. Тези две дефиниции вече са свързани със звукови вълни и ви дават основна картина на значението на думата във физиката също.
По-конкретно, определението за резонанс във физиката е, когато честотата на външно трептене или вибрация съвпада с обект (или кухина) естествена честота, и в резултат или го кара да вибрира, или увеличава амплитудата си на трептене.
В механичните системи резонансът се отнася до усилване, усилване или удължаване на звука или други вибрации. Точно както в дефиницията по-горе, това изисква да се прилага външна периодична сила с честота равна на естествената честота на движение за обекта, която понякога се нарича резонансна честота.
Всички обекти имат естествена честота или резонансна честота, която можете да си представите като честотата, на която обектът „обича“ да вибрира. Например, ако почукате кристално стъкло с нокът, то ще започне да вибрира с резонансната си честота и ще произведе „оттенък“ със съответната стъпка. Честотата на вибрациите зависи от физическите свойства на обекта и можете да предскажете това доста добре за някои неща като опъната струна.
Примери за резонанс - звуков резонанс
Изучаването на някои примери за резонанс ще ви помогне да разберете различните форми на резонанс, които срещате във всекидневния си живот. Най-често срещаният и прост пример са звуковите вълни, защото когато вибрирате гласовите си струни вдясно честота (за кухината на гърлото и устата), можете да създавате речеви тонове и музикални тонове, които другите хора може да чуе.
Вибрацията на гласовите ви струни произвежда звуковите вълни, които са наистина вълни под налягане във въздуха, съставени от редуващи се компресирани участъци (с по-голяма от средната плътност) и разреждания (с по-малка от средната плътност).
Повечето музикални инструменти работят по същия начин. Например, в месингов инструмент, вибрацията на устните на играча срещу мундщука създава първоначалната вибрация и когато това съвпада с резонансната честота (или кратно на нея) за размера на тръбата, в която той или тя духа, има резонанс и амплитудата на трептенията се увеличава значително и произвежда звуков тон.
При дървените духови инструменти има „тръстика“, която вибрира при преминаването на въздух върху нея и отново същият процес на резонанс и усилване превръща тази малка вибрация в звуков музикален тон. Струнните инструменти като китара са малко по-различни, но струните имат резонансна честота на вибрации и произведените звукови вълни резонират в кухината (например в пространството в тялото на акустична китара), за да издадат шума по-силно.
По-прост пример е, когато пуснете инструмент или плоча на земята. Прозвъняването се причинява от инструмента или плочата, вибриращи при неговата резонансна честота. Този по-прост начин за генериране на звук се използва от внимателно проектирани камертони, които са проектирани така за да създадат специфична височина като естествена честота, която музикантите след това могат да настроят своите инструменти да се.
Примери за резонанс - механичен резонанс
Въпреки че резонансът обикновено се използва за означаване на звукови вълни, механичният резонанс в някои отношения е по-лесен за разбиране. Един прост пример е дете, което за първи път се учи да помпа люлка. Трептящото движение на люлката има естествена честота и когато детето се научи да тласка (т.е. прилагайте периодична сила) при естествената честота на люлеенето, тласкането им става много повече ефективно. В резултат на това амплитудата на трептене на люлката се увеличава и човекът, който седи на нея, се повишава всеки път.
Удрянето на естествената честота на даден обект обаче не винаги е добро нещо. Например войниците, които маршируват през въжен мост в унисон, могат да предизвикат вибрациите му извън контрол и евентуално дори да се срутят, ако стъпят на естествената му честота. В случаи като този генералът може да ги помоли да „прекъснат стъпка“, за да не прилагат периодична сила при естествената честота на моста.
Дори по-стабилните мостови конструкции имат резонансни честоти, но това причинява проблем само по редки причини (като например при Висящият мост на Броутън, мост в Англия, който се срути през 1831 г., предполага се, че войниците маршируват в стъпка през мост).
Аналоговите часовници също зависят от механичния резонанс и естествената честота на даден компонент, за да запазят времето. Например, махалните часовници използват естествената честота на люлеене на махалото, за да запазят времето, а колелото за балансиране работи на същия основен принцип. Дори кварцовите часовници зависят от резонансната честота, но в този случай кристалът регулира трептене от електронен генератор, което води до огромни подобрения в точността в сравнение с по-прости дизайни.
Други примери за резонанс
Съществуват и много други форми на резонанс и всички те работят на един и същ основен принцип. Други два примера за резонанс, с които ще се запознаете, са свързани по-скоро с електромагнитните трептения, отколкото с механичните. Първата е вашата микровълнова печка.
Вълните, произведени от микровълновата печка, произвеждат топлина във вашата храна, тъй като тяхната честота съвпада с резонансната честота на молекули в храната (напр. молекули вода и мазнини), което ги кара да се клатят и впоследствие да отделят енергия под формата на топлина.
Друг пример е антената за вашия телевизор или дори радио антена. Тези устройства са проектирани да максимизират поглъщането на електромагнитно излъчване и когато настроите антената на определена честота, настройвате резонансната честота за устройството. Когато честотата на антената съвпада с честотата на входящия сигнал, тя резонира и вашият телевизор или радио „хваща“ сигнала.
И така, как кристалът се счупва?
Сега, когато разбирате ключовите моменти относно дефиницията на резонанса и какво представлява резонансната честота, можете да разберете класическия пример за певец, който успява да счупи кристална чаша, като пее вдясно терена. Стъклото има резонансна честота и ако певецът издаде звук със съответстваща честота, стъклото ще започне да вибрира. Това се нарича a симпатикова вибрация защото преди певецът да издаде шум, чашата беше напълно неподвижна.
Отначало може да има малка вибрация в стъклото, но всъщност за да се счупи, е необходима продължителна и силна нота с правилната честота. Ако певецът може да направи това, амплитудата на трептене на стъклото се увеличава и в крайна сметка започва да нарушава структурната цялост на стъклото. Едва в този момент - когато нотата се поддържа достатъчно дълго, за да може вибрацията на стъклото да достигне максималната амплитуда, която може да поддържа, стъклото действително ще се счупи.