Kõik teavad vana troppi, kus jõuallika ooperilaulja tabab õiget nooti ja kristallklaas puruneb mürast, kuid kas see on tõesti võimalik? Olukord võib tunduda kaugeleulatuv, nagu midagi sellist, mida filmides või koomiksites näeksite palju tõenäolisemalt kui reaalses elus.
Tegelikult on see nähtus resonants tähendab, et see on reaalses elus tehniliselt võimalik, olenemata sellest, kas resonantssagedus (see, mis sobib) klaasi loomulik sagedus) tekitab kellegi hääl või üks või mitu muusikat pillid.
Resonantsi kohta lisateabe saamine annab teile mõista, kuidas heli töötab, paljude põhimõtete aluseks muusikariistad ja kuidas suurendada või vähendada liikumist mehaanilises süsteemis nagu kiigekomplekt või köis sild.
Resonantsi määratlus
Sõna resonants pärineb algselt ladina keelest resonants, mis tähendab "kaja", ja see on tihedalt seotud kõlaga, mis tähendab kaja või "heli uuesti" tagastamist. Need kaks määratlust on juba seotud helilainetega ja annavad teile põhipildi sõna tähendusest füüsikas ka.
Kuid täpsemalt on resonantsi määratlus füüsikas see, kui välise võnkumise või vibratsiooni sagedus vastab objektile (või õõnsusele) loomulik sagedusja selle tulemusel kas vibreerib või suurendab võnkumise amplituudi.
Mehaanilistes süsteemides viitab resonants heli või muude vibratsioonide võimendamisele, tugevdamisele või pikendamisele. Nii nagu ülaltoodud definitsioonis, nõuab see välise perioodilise jõu rakendamist sagedusel võrdub objekti loomuliku liikumissagedusega, mida mõnikord nimetatakse ka resonantsiks sagedus.
Kõigil objektidel on loomulik sagedus või resonantssagedus, mida võite mõelda kui sagedust, millel objektil "meeldib" vibreerida. Näiteks kui koputate sõrmeküünega kristallklaasi, hakkab see oma resonantssagedusel vibreerima ja tekitab vastava sammuga „tingimise“. Vibratsiooni sagedus sõltub objekti füüsikalistest omadustest ja mõne asja jaoks, nagu pingutatud string, saate seda üsna hästi ennustada.
Resonantsi näited - heli resonants
Mõne resonantsi näite tundmaõppimine aitab teil mõista erinevaid resonantsi vorme, millega igapäevases elus kokku puutute. Kõige tavalisem ja lihtsam näide on helilained, sest kui vibreerida oma häälepaelu paremal (kõri ja suuõõne jaoks), saate toota kõnetooni ja muusikalisi toone, mida teised inimesed kuuleb.
Teie häälepaelte vibratsioon tekitab helilaineid, mis on tõepoolest rõhulained õhus, mis koosneb vahelduvad kokkusurutud sektsioonid (tihedusega üle keskmise) ja haruldused (vähem kui keskmiselt) tihedus).
Enamik muusikariistu töötab ühtemoodi. Näiteks puhkpilli puhul tekitab mängija huulte vibratsioon vastu huulikut esialgse vibratsiooni ja kui see sobib resonantsiga toru suuruse sagedus (või selle mitmekordne suurus), mille sisse ta puhub, on resonants ja võnkumise amplituud suureneb märkimisväärselt ja tekitab kuuldav toon.
Puupuhkpillides on „pilliroog”, mis vibreerib, kui õhku sellest üle lastakse, ja jälle muudab sama resonantsi- ja võimendusprotsess selle väikese vibratsiooni kuuldavaks muusikaliseks tooniks. Keelpillid, nagu kitarr, on veidi erinevad, kuid keelpillidel on resonants vibratsioonisagedus ja tekitatud helilained resoneeruvad õõnsuses (nt akustilise kitarri kehas olevas ruumis) müra tekitamiseks valjemini.
Lihtsam näide on see, kui viskate tööriista või plaadi maapinnale. Toodud kolinat põhjustab tööriista või plaadi vibreerimine selle resonantssagedusel. Seda lihtsamat viisi heli genereerimiseks kasutavad hoolikalt kujundatud kahvlid, mis on loodud nii toota kindla helikõrguse loomuliku sagedusena, mida muusikud saavad seejärel oma instrumente häälestada kuni.
Resonantsi näited - mehaaniline resonants
Ehkki helilainete tähistamiseks kasutatakse tavaliselt resonantsi, on mehaanilist resonantsi mõnes mõttes lihtsam mõista. Lihtne näide on see, et laps õpib esimest korda kiike pumpama. Kiige võnkliikumisel on loomulik sagedus ja kui laps õpib suruma (st rakendage perioodilist jõudu) kiige loomulikul sagedusel muutub nende surumine palju suuremaks tõhus. Selle tulemusel suureneb kiige võnkumise amplituud ja sellel istuja läheb iga kord kõrgemale.
Objekti loomuliku sageduse löömine pole siiski alati hea. Näiteks ühtselt üle trossisilla marssivad sõdurid võivad selle loomulikul sagedusel astudes põhjustada kontrolli alt võnkumise ja võib-olla isegi kokkuvarisemise. Sellistel juhtudel võib kindral paluda neil "samm murda", et nad ei rakendaks perioodilist jõudu silla loomuliku sagedusega.
Isegi stabiilsematel sillakonstruktsioonidel on resonantssagedused, kuid see tekitab probleemi ainult harvadel põhjustel (näiteks Broughtoni rippsild, silla Inglismaal, mis varises kokku 1831. aastal, väidetavalt tänu sellele, et sõdurid sammusid üle marsruudi sild).
Analoogkellad sõltuvad aja hoidmiseks ka mehaanilisest resonantsist ja komponendi loomulikust sagedusest. Näiteks pendlikellad kasutavad aja hoidmiseks pendli kiigete loomulikku sagedust ja tasakaaluratas töötab samal põhimõttel. Isegi kvartskristallkellad sõltuvad resonantssagedusest, kuid sel juhul reguleerib kristall elektroonilise ostsillaatori võnkumine, mille tulemuseks on tohutu täpsuse paranemine võrreldes lihtsamaga kujundused.
Muud resonantsi näited
Samuti on palju muid resonantsi vorme ja need kõik töötavad samal põhimõttel. Kaks muud teile tuttavat resonantsi näidet on seotud pigem mehaaniliste kui elektromagnetiliste võngetega. Esimene on teie mikrolaineahi.
Mikrolaineahju poolt toodetud lained toodavad teie toidus soojust, kuna nende sagedus vastab signaali resonantssagedusele toidu sees olevad molekulid (nt vee- ja rasvamolekulid), mis põhjustab nende võnkumist ja seejärel energia vabanemist soojust.
Teine näide on teleri antenn või isegi raadioantenn. Need seadmed on loodud selleks, et maksimeerida elektromagnetkiirguse neeldumist ja kui häälestate antenni kindlale sagedusele, reguleerite seadme resonantssagedust. Kui antenni sagedus vastab sissetuleva signaali sagedusele, kostub see ja teie teler või raadio võtab signaali üles.
Niisiis, kuidas kristall puruneb?
Nüüd, kui olete aru saanud resonantsi määratluse ja selle resonantssageduse põhipunktidest, saate aru klassikalisest näitest, kuidas laulja suudab paremal lauldes kristallklaasi lõhkuda pigi. Klaasil on resonantssagedus ja kui laulja tekitab sobiva sagedusega heli, hakkab klaas vibreerima. Seda nimetatakse a sümpaatiline vibratsioon sest enne laulja häält oli klaas täiesti paigal.
Esialgu võib klaasis olla väike vibratsioon, kuid tegelikult selle purunemiseks on vaja püsivat ja valju noodi õigel sagedusel. Kui laulja suudab seda teha, suureneb klaasi võnkumise amplituud ja hakkab lõpuks kahjustama klaasi struktuurilist terviklikkust. Alles sel hetkel - kui noot on püsinud piisavalt kaua, et klaasi vibratsioon jõuaks maksimaalse amplituudini, mida see suudab toetada -, millal klaas tegelikult puruneb.