Rezonance: Definice, typy, frekvence a příklady

Každý zná staré trope, kde mocný operní zpěvák zasáhne správnou notu a křišťálové sklo se rozbije hlukem, ale je to opravdu možné? Situace se může zdát přitažlivá, jako něco, co byste mnohem častěji viděli ve filmech nebo karikaturách než ve skutečnosti.

Ve skutečnosti je to fenomén rezonance znamená, že je technicky možné v reálném životě, ať už rezonanční frekvence (ta, která odpovídá přirozená frekvence skla) je produkován něčím hlasem nebo jedním či mnoha muzikály nástroje.

Dozvědět se více o rezonanci vám poskytne pochopení toho, jak funguje zvuk, principy, o které se opírá mnoho lidí hudební nástroje a jak zvýšit nebo snížit pohyb v mechanickém systému, jako je houpačka nebo lano most.

Slovo rezonance původně pochází z latiny rezonance, což znamená „echo“, a úzce souvisí s zvukem, což znamená vrátit ozvěnu nebo „zvuk znovu“. Tyto dvě definice se již vztahují k zvukovým vlnám a poskytují základní představu o významu slova ve fyzice také.

Přesněji řečeno, definice rezonance ve fyzice je, když se frekvence vnějšího kmitání nebo vibrací shoduje s objektem (nebo dutinou)

V mechanických systémech se rezonance týká zesílení, zesílení nebo prodloužení zvuku nebo jiných vibrací. Stejně jako ve výše uvedené definici to vyžaduje použití externí periodické síly s frekvencí se rovná přirozené frekvenci pohybu objektu, který se někdy nazývá rezonanční frekvence.

Všechny objekty mají vlastní frekvenci nebo rezonanční frekvenci, kterou si můžete představit jako frekvenci, na kterou objekt „rád“ vibruje. Pokud například klepnete nehtem na křišťálové sklo, začne vibrovat na své rezonanční frekvenci a vytvoří „ting“ s odpovídající výškou. Frekvence vibrací závisí na fyzikálních vlastnostech objektu a u některých věcí, jako je napnutá struna, to můžete docela dobře předvídat.

Poznání některých příkladů rezonance vám pomůže pochopit různé formy rezonance, se kterými se setkáváte ve svém každodenním životě. Nejběžnějším a nejjednodušším příkladem jsou zvukové vlny, protože když vibrujete hlasivkami vpravo frekvence (pro dutinu krku a úst), můžete vytvářet tóny řeči a hudební tóny, které mají ostatní lidé mohu slyšet, slyším.

Vibrace vašich hlasivek produkují zvukové vlny, které jsou ve skutečnosti tlakovými vlnami ve vzduchu střídající se komprimované úseky (s vyšší než průměrnou hustotou) a vzácné funkce (s méně než průměrnou hustotou) hustota).

Většina hudebních nástrojů funguje stejným způsobem. Například v dechovém nástroji vytváří vibrace rtů hráče proti náustku počáteční vibraci, a když se to shoduje s rezonancí frekvence (nebo její násobek) pro velikost potrubí, do kterého fouká, je rezonance a amplituda oscilace se výrazně zvyšuje a vytváří slyšitelný tón.

U dechových nástrojů existuje „rákos“, který vibruje při průchodu vzduchu a opět stejný proces rezonance a zesílení promění tuto malou vibraci ve slyšitelný hudební tón. Smyčcové nástroje jako kytara se trochu liší, ale struny mají rezonanční frekvenci vibrací a produkované zvukové vlny rezonují v dutině (např. v prostoru v těle akustické kytary), aby vydávaly hluk hlasitěji.

Jednodušší příklad je, když upustíte nástroj nebo talíř na zem. Vytvoření řinčení je způsobeno vibracím nástroje nebo desky na její rezonanční frekvenci. Tento jednodušší způsob generování zvuku používají pečlivě navržené ladičky, které jsou navrženy tak, aby produkovat konkrétní výšku tónu jako svou přirozenou frekvenci, kterou si pak hudebníci mohou naladit své nástroje na.

Ačkoli se rezonance obvykle používá k označení zvukových vln, mechanická rezonance je v některých ohledech srozumitelnější. Jednoduchým příkladem je dítě, které se poprvé učí pumpovat švih. Oscilační pohyb švihu má přirozenou frekvenci, a když se dítě naučí tlačit (tj. aplikujte periodickou sílu) na přirozené frekvenci švihu se jejich tlačení stává mnohem více efektivní. V důsledku toho se zvyšuje amplituda oscilace švihu a osoba, která na něm sedí, pokaždé stoupá.

Zasáhnout přirozenou frekvenci objektu však není vždy dobrá věc. Například vojáci pochodující přes lanový most v souzvuku mohou způsobit jeho vibrace mimo kontrolu a případně i zhroucení, pokud vstoupí na jeho přirozenou frekvenci. V takových případech je může generál požádat o „krok zlomu“, aby neaplikovali periodickou sílu při přirozené frekvenci mostu.

Ještě stabilnější konstrukce můstků mají rezonanční frekvence, což však způsobuje problém pouze ve vzácných příčinách (například u Broughton Suspension Bridge, most v Anglii, který se zhroutil v roce 1831, údajně kvůli vojákům pochodujícím v kroku přes most).

Analogové hodiny také závisí na mechanické rezonanci a přirozené frekvenci součásti, aby si udržely čas. Například kyvadlové hodiny využívají k udržení času přirozenou frekvenci kmitání kyvadla a vyvažovací kolo funguje na stejném základním principu. Dokonce i hodiny z křemenného krystalu závisí na rezonanční frekvenci, ale v tomto případě krystal reguluje oscilace z elektronického oscilátoru, což má za následek obrovské zlepšení přesnosti ve srovnání s jednoduššími vzory.

Existuje také mnoho dalších forem rezonance a všechny fungují na stejném základním principu. Dva další příklady rezonance, které znáte, se týkají spíše elektromagnetických kmitů než mechanických. První je vaše mikrovlnná trouba.

Vlny produkované mikrovlnnou troubou produkují teplo ve vašem jídle, protože jejich frekvence odpovídá rezonanční frekvenci molekuly uvnitř potravin (např. molekuly vody a tuků), které způsobují jejich kolísání a následné uvolňování energie ve formě tepla.

Dalším příkladem je anténa pro váš televizor nebo dokonce anténa rádia. Tato zařízení jsou navržena tak, aby maximalizovala absorpci elektromagnetického záření, a když „vyladíte“ anténu na konkrétní frekvenci, upravíte rezonanční frekvenci zařízení. Když se frekvence antény shoduje s frekvencí příchozího signálu, rezonuje a váš televizor nebo rádio signál „zvedne“.

Nyní, když chápete klíčové body týkající se definice rezonance a toho, co je rezonanční frekvence, můžete pochopit klasický příklad zpěváka, který dokáže rozbít křišťálovou sklenici zpěvem vpravo hřiště. Sklo má rezonanční frekvenci a pokud zpěvák produkuje zvuk s odpovídající frekvencí, sklo začne vibrovat. Tomu se říká a sympatická vibrace protože předtím, než zpěvák vydal zvuk, sklo bylo úplně nehybné.

Zpočátku ve skle může být malá vibrace, ale její rozbití ve skutečnosti vyžaduje vytrvalou a hlasitou notu se správnou frekvencí. Pokud to zpěvák dokáže, zvyšuje se amplituda oscilace skla a nakonec začne narušovat strukturální integritu skla. Sklo se skutečně rozbije až v tomto okamžiku - když je nota udržována dostatečně dlouho, aby vibrace skla dosáhly maximální amplitudy, kterou může podporovat.