Alle kender den gamle trope, hvor en kraftfuld operasanger rammer den rigtige tone, og et krystalglas knuses af støj, men er det virkelig muligt? Situationen kan virke langtrukket som noget, du ville være meget mere tilbøjelige til at se i film eller tegneserier end i det virkelige liv.
Faktisk er fænomenet resonans betyder, at det er teknisk muligt i det virkelige liv, hvad enten resonansfrekvensen (den der matcher den naturlige frekvens af glasset) produceres af en persons stemme eller af en eller flere musikaler instrumenter.
At lære mere om resonans giver dig en forståelse af, hvordan lyd fungerer, de principper, der ligger til grund for mange musikinstrumenter og hvordan man øger eller mindsker bevægelse i et mekanisk system som et svingesæt eller et reb bro.
Definition af resonans
Ordet resonans stammer oprindeligt fra latin resonantia, der betyder "ekko", og det er nært beslægtet med klangen, hvilket betyder at returnere et ekko eller "lyd igen." Disse to definitioner vedrører allerede lydbølger og giver dig et grundlæggende billede af betydningen af ordet i fysik også.
Mere specifikt er definitionen af resonans i fysik imidlertid, når frekvensen af en ekstern svingning eller vibration svarer til et objekt (eller hulrum) naturlig frekvensog som følge heraf enten får den til at vibrere eller øger dens svingnings amplitude.
I mekaniske systemer henviser resonans til forstærkning, forstærkning eller forlængelse af lyd eller andre vibrationer. Ligesom i definitionen ovenfor kræver dette, at der anvendes en ekstern periodisk kraft med en frekvens svarende til den naturlige bevægelsesfrekvens for objektet, som undertiden kaldes resonans frekvens.
Alle objekter har en naturlig frekvens eller en resonansfrekvens, som du kan tænke på som den frekvens objektet "kan lide" at vibrere ved. Hvis du f.eks. Trykker på et krystalglas med en fingernegl, begynder det at vibrere ved sin resonansfrekvens og producerer en "ting" med en tilsvarende tonehøjde. Vibrationsfrekvensen afhænger af objektets fysiske egenskaber, og du kan forudsige dette ret godt for nogle ting som en stram streng.
Eksempler på resonans - lydresonans
At lære om nogle eksempler på resonans hjælper dig med at forstå de forskellige former for resonans, du støder på i dit daglige liv. Det mest almindelige og enkleste eksempel er lydbølger, for når du vibrerer dine stemmebånd til højre frekvens (for hulrummet i din hals og mund), kan du producere taletoner og musikalske toner, som andre mennesker kan høre.
Vibrationen af dine stemmebånd producerer lydbølgerne, som virkelig er trykbølger i luften sammensat af skiftevis komprimerede sektioner (med en større tæthed end gennemsnittet) og sjældenhed (med en mindre end gennemsnittet massefylde).
De fleste musikinstrumenter fungerer på samme måde. For eksempel i et messinginstrument skaber vibrationen af spillerens læber mod mundstykket den indledende vibration, og når dette matcher resonansen frekvens (eller et multipel heraf) for størrelsen på det rør, han eller hun blæser ind i, er der resonans, og svingningsamplituden øges markant og frembringer en hørbar tone.
I træblæseinstrumenter er der et ”rør”, der vibrerer, når luft passerer over det, og igen omdanner den samme proces med resonans og forstærkning denne lille vibration til en hørbar musikalsk tone. Strengeinstrumenter som en guitar er lidt anderledes, men strengene har en resonansfrekvens af vibrationer og producerede lydbølger resonerer i hulrummet (fx i rummet i en akustisk guitar) for at gøre støj højere.
Et enklere eksempel er, når du smider et værktøj eller en plade på jorden. Den producerede klang er forårsaget af værktøjet eller pladen, der vibrerer ved sin resonansfrekvens. Denne enklere måde at generere lyd på, bruges af omhyggeligt designede tuning gafler, der er designet således, at for at producere en bestemt tonehøjde som deres naturlige frekvens, hvilke musikere derefter kan indstille deres instrumenter til.
Eksempler på resonans - Mekanisk resonans
Selvom resonans normalt bruges til at henvise til lydbølger, er mekanisk resonans på nogle måder lettere at forstå. Et simpelt eksempel er et barn, der lærer at pumpe en gynge for første gang. Swingens oscillerende bevægelse har en naturlig frekvens, og når barnet lærer at skubbe (dvs. anvende en periodisk kraft) ved gyngens naturlige frekvens, deres skubning bliver meget mere effektiv. Som et resultat af dette øges svingningens amplitude, og personen, der sidder på den, går højere hver gang.
At ramme den naturlige frekvens af et objekt er dog ikke altid en god ting. For eksempel kan soldater, der marcherer over en rebbro i fællesskab, få den til at vibrere ude af kontrol og muligvis endda kollapse, hvis de træder på dens naturlige frekvens. I tilfælde som denne kan generalen bede dem om at "bryde trin", så de ikke anvender en periodisk kraft ved broens naturlige frekvens.
Endnu mere stabile brodesign har resonansfrekvenser, men dette forårsager kun et problem i sjældne årsager (såsom med Broughton Suspension Bridge, en bro i England, der kollapsede i 1831, angiveligt på grund af soldater, der marcherede i trin over bro).
Analoge ure afhænger også af mekanisk resonans og den naturlige frekvens af en komponent for at holde tiden. For eksempel bruger pendulure den naturlige frekvens af pendulets svingning for at holde tiden, og et balancehjul fungerer på det samme grundlæggende princip. Selv kvartskrystalure afhænger af resonansfrekvensen, men i dette tilfælde regulerer krystallen svingning fra en elektronisk oscillator, hvilket resulterer i enorme forbedringer i nøjagtighed sammenlignet med enklere design.
Andre eksempler på resonans
Der er også mange andre former for resonans, og alle arbejder på det samme grundlæggende princip. To andre eksempler på resonans, som du vil være fortrolig med, har at gøre med elektromagnetiske svingninger snarere end mekaniske. Den første er din mikrobølgeovn.
Bølgerne produceret af mikrobølgeovnen producerer varme i din mad, fordi deres frekvens svarer til resonansfrekvensen molekyler inde i maden (fx vand- og fedtmolekyler), som får dem til at vrikke og derefter frigive energi i form af varme.
Et andet eksempel er antennen til dit tv eller endda en radioantenne. Disse enheder er designet til at maksimere absorptionen af elektromagnetisk stråling, og når du "indstiller" antennen til en bestemt frekvens, justerer du enhedens resonansfrekvens. Når antennens frekvens svarer til frekvensen af det indgående signal, resonerer den, og dit tv eller radio "optager" signalet.
Så hvordan bryder krystallen?
Nu hvor du forstår nøglepunkterne om definitionen af resonans og hvad en resonansfrekvens er, du kan forstå det klassiske eksempel på, at en sanger formår at bryde et krystalglas ved at synge til højre tonehøjde. Glasset har en resonansfrekvens, og hvis sangeren producerer en lyd med en matchende frekvens, begynder glasset at vibrere. Dette kaldes en sympatisk vibration for før sangeren lavede en lyd, var glasset helt stille.
I første omgang kan der være en lille vibration i glasset, men faktisk at få det til at knuses kræver en vedvarende og høj tone med den rigtige frekvens. Hvis sangeren kan gøre dette, øges amplituden for svingning af glasset og til sidst begynder at kompromittere glassets strukturelle integritet. Det er kun på dette tidspunkt - når tonen er opretholdt længe nok til, at glassets vibration når den maksimale amplitude, den kan understøtte - når glasset rent faktisk bryder.