Resonanz: Definition, Typen, Frequenz & Beispiele

Jeder kennt die alte Trope, bei der ein kraftvoller Opernsänger den richtigen Ton trifft und ein Kristallglas im Lärm zerspringt, aber ist das wirklich möglich? Die Situation mag weit hergeholt erscheinen, wie etwas, das Sie eher in Filmen oder Cartoons sehen würden als im wirklichen Leben.

Tatsächlich ist das Phänomen der Resonanz bedeutet, dass es im wirklichen Leben technisch möglich ist, ob die Resonanzfrequenz (die passende die Eigenfrequenz des Glases) wird von einer Stimme oder von einem oder mehreren Musicals erzeugt Instrumente.

Wenn Sie mehr über Resonanz erfahren, erhalten Sie ein Verständnis dafür, wie Klang funktioniert, die Prinzipien, die vielen zugrunde liegen Musikinstrumente und wie man die Bewegung in einem mechanischen System wie einer Schaukel oder einem Seil erhöht oder verringert Brücke.

Das Wort Resonanz kommt ursprünglich aus dem Lateinischen Resonanz, was „Echo“ bedeutet, und es ist eng mit dem Hall verwandt, was bedeutet, ein Echo oder „Schall wieder“ zurückzugeben. Diese zwei Definitionen beziehen sich bereits auf Schallwellen und geben Ihnen ein grundlegendes Bild von der Bedeutung des Wortes in der Physik auch.

Genauer gesagt ist die Definition von Resonanz in der Physik, wenn die Frequenz einer externen Schwingung oder Vibration mit einem Objekt (oder der eines Hohlraums) übereinstimmt. Eigenfrequenz, und bringt es dadurch entweder zum Schwingen oder erhöht seine Schwingungsamplitude.

In mechanischen Systemen bezeichnet Resonanz die Verstärkung, Verstärkung oder Verlängerung von Schall oder anderen Schwingungen. Dies erfordert, wie in der obigen Definition, eine externe periodische Kraft mit einer Frequenz gleich der natürlichen Bewegungsfrequenz des Objekts, die manchmal als Resonanz bezeichnet wird Frequenz.

Alle Objekte haben eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz, die Sie sich als die Frequenz vorstellen können, mit der das Objekt „gerne“ schwingt. Wenn Sie beispielsweise mit dem Fingernagel auf ein Kristallglas klopfen, beginnt es mit seiner Resonanzfrequenz zu vibrieren und erzeugt ein „Ting“ mit entsprechender Tonhöhe. Die Schwingungsfrequenz hängt von den physikalischen Eigenschaften des Objekts ab, und Sie können dies für einige Dinge wie eine gespannte Schnur ziemlich gut vorhersagen.

Das Kennenlernen einiger Resonanzbeispiele wird Ihnen helfen, die verschiedenen Resonanzformen zu verstehen, denen Sie in Ihrem täglichen Leben begegnen. Das häufigste und einfachste Beispiel sind Schallwellen, denn wenn Sie Ihre Stimmbänder rechts vibrieren vi Frequenz (für die Hals- und Mundhöhle) können Sie Sprach- und Musiktöne erzeugen, die andere Menschen kann hören.

Die Schwingung Ihrer Stimmbänder erzeugt die Schallwellen, die in Wirklichkeit Druckwellen in der Luft sind, die aus. bestehen abwechselnd komprimierte Abschnitte (mit einer überdurchschnittlichen Dichte) und Verdünnungen (mit einer unterdurchschnittlichen Dichte) Dichte).

Die meisten Musikinstrumente funktionieren auf die gleiche Weise. Bei einem Blechblasinstrument beispielsweise erzeugt die Vibration der Lippen des Spielers gegen das Mundstück die anfängliche Vibration, und wenn diese mit der Resonanz übereinstimmt Frequenz (oder ein Vielfaches davon) für die Größe des Rohres, in das er bläst, gibt es Resonanz, und die Schwingungsamplitude nimmt merklich zu und erzeugt eine hörbarer Ton.

Bei Holzblasinstrumenten gibt es ein „Blattblatt“, das vibriert, wenn Luft darüber geleitet wird, und wieder der gleiche Prozess der Resonanz und Verstärkung verwandelt diese kleine Vibration in einen hörbaren Musikton. Saiteninstrumente wie eine Gitarre sind etwas anders, aber die Saiten haben eine Resonanzfrequenz der Schwingung, und die erzeugte Schallwellen schwingen im Hohlraum (z. B. im Raum im Korpus einer Akustikgitarre) mit, um das Geräusch zu erzeugen lauter.

Ein einfacheres Beispiel ist, wenn Sie ein Werkzeug oder eine Platte auf den Boden fallen lassen. Das erzeugte Klappern wird durch das Schwingen des Werkzeugs oder der Platte mit seiner Resonanzfrequenz verursacht. Diese einfachere Art der Klangerzeugung nutzen sorgfältig konstruierte Stimmgabeln, die so konstruiert sind, dass um eine bestimmte Tonhöhe als Eigenfrequenz zu erzeugen, die Musiker dann ihre Instrumente stimmen können zu.

Obwohl Resonanz normalerweise verwendet wird, um sich auf Schallwellen zu beziehen, ist mechanische Resonanz in gewisser Weise leichter zu verstehen. Ein einfaches Beispiel ist ein Kind, das zum ersten Mal lernt, eine Schaukel zu pumpen. Die oszillierende Bewegung der Schaukel hat eine Eigenfrequenz, und wenn das Kind das Schieben lernt (d. h. eine periodische Kraft aufbringen) bei der Eigenfrequenz des Schwungs, ihr Stoß wird viel stärker Wirksam. Dadurch nimmt die Schwingungsamplitude der Schaukel zu und die darauf sitzende Person wird jedes Mal höher.

Es ist jedoch nicht immer gut, die Eigenfrequenz eines Objekts zu treffen. Beispielsweise können Soldaten, die gemeinsam über eine Seilbrücke marschieren, diese außer Kontrolle geraten lassen und möglicherweise sogar zusammenbrechen, wenn sie mit ihrer natürlichen Frequenz treten. In solchen Fällen kann der General sie auffordern, den Schritt zu unterbrechen, damit sie keine periodische Kraft bei der Eigenfrequenz der Brücke ausüben.

Noch stabilere Brückenkonstruktionen haben Resonanzfrequenzen, dies führt jedoch nur in seltenen Fällen zu Problemen (z Broughton Suspension Bridge, eine Brücke in England, die 1831 einstürzte, angeblich aufgrund von Soldaten, die im Gleichschritt über die Brücke marschierten Brücke).

Analoguhren hängen auch von mechanischer Resonanz und der Eigenfrequenz einer Komponente ab, um die Zeit zu halten. Pendeluhren zum Beispiel nutzen die Eigenfrequenz der Pendelschwingung, um die Zeit zu halten, und eine Unruh arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip. Auch Quarzuhren sind von der Resonanzfrequenz abhängig, aber in diesem Fall regelt der Quarz die Schwingung von einem elektronischen Oszillator, was zu einer enormen Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu einfacheren entwirft.

Es gibt noch viele andere Resonanzformen, die alle nach dem gleichen Grundprinzip funktionieren. Zwei weitere Resonanzbeispiele, die Sie kennen, beziehen sich eher auf elektromagnetische als auf mechanische Schwingungen. Die erste ist Ihre Mikrowelle.

Die von der Mikrowelle erzeugten Wellen erzeugen Wärme in Ihrem Essen, da ihre Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Moleküle in der Nahrung (z. B. Wasser- und Fettmoleküle), wodurch sie wackeln und anschließend Energie in Form freisetzen von Hitze.

Ein weiteres Beispiel ist die Antenne für Ihren Fernseher oder sogar eine Radioantenne. Diese Geräte wurden entwickelt, um die Absorption elektromagnetischer Strahlung zu maximieren, und wenn Sie die Antenne auf eine bestimmte Frequenz „abstimmen“, passen Sie die Resonanzfrequenz für das Gerät an. Wenn die Frequenz der Antenne mit der Frequenz des eingehenden Signals übereinstimmt, schwingt sie mit und Ihr Fernseher oder Radio „nimmt“ das Signal auf.

Nachdem Sie nun die wichtigsten Punkte über die Definition von Resonanz und was eine Resonanzfrequenz ist, verstanden haben, Sie können das klassische Beispiel eines Sängers verstehen, der es schafft, ein Kristallglas zu zerbrechen, indem er rechts singt Tonhöhe. Das Glas hat eine Resonanzfrequenz, und wenn der Sänger einen Ton mit einer passenden Frequenz erzeugt, beginnt das Glas zu vibrieren. Dies nennt man a sympathische Schwingung denn bevor der Sänger ein Geräusch machte, war das Glas völlig still.

Zuerst kann es eine kleine Vibration im Glas geben, aber um es tatsächlich zu zerbrechen, ist eine anhaltende und laute Note mit der richtigen Frequenz erforderlich. Wenn der Sänger dies tun kann, nimmt die Schwingungsamplitude des Glases zu und beginnt schließlich, die strukturelle Integrität des Glases zu beeinträchtigen. Erst an diesem Punkt – wenn die Note lange genug gehalten wurde, damit die Schwingung des Glases die maximale Amplitude erreicht, die sie tragen kann – bricht das Glas tatsächlich.