Kaikki tietävät vanhan tropin, jossa voimalaitoksen oopperalaulaja osuu oikeaan nuottiin ja kristallilasi rikkoutuu melusta, mutta onko se todella mahdollista? Tilanne saattaa tuntua kaukaiselta, kuten jotain, jonka näkisit todennäköisesti elokuvissa tai sarjakuvissa kuin tosielämässä.
Itse asiassa ilmiö resonanssi tarkoittaa, että se on teknisesti mahdollista tosielämässä, onko resonanssitaajuus (se, joka vastaa) lasin luonnollinen taajuus) tuottaa jonkun ääni tai yksi tai useampi musikaali välineet.
Lisätietoja resonanssista antaa sinulle käsityksen siitä, miten ääni toimii, monien taustalla olevat periaatteet soittimia ja kuinka lisätä tai vähentää liikettä mekaanisessa järjestelmässä, kuten keinu tai köysi silta.
Määritelmä resonanssi
Sana resonanssi on alun perin peräisin latinasta resonantia, mikä tarkoittaa "kaiku", ja se liittyy läheisesti ääniin, mikä tarkoittaa kaiku- tai "äänen palauttamista uudelleen". Nämä kaksi määritelmää liittyvät jo ääniaalloihin ja antavat sinulle perustavan kuvan sanan merkityksestä fysiikassa liian.
Resonanssin määritelmä fysiikassa on kuitenkin tarkemmin sanottuna, kun ulkoisen värähtelyn tai värähtelyn taajuus vastaa kohdetta (tai onteloa) luonnollinen taajuusja seurauksena joko aiheuttaa sen värähtelyn tai lisää sen värähtelyn amplitudia.
Mekaanisissa järjestelmissä resonanssi viittaa äänen tai muun tärinän vahvistamiseen, vahvistamiseen tai pidentämiseen. Aivan kuten yllä olevassa määritelmässä, tämä edellyttää ulkoisen jaksollisen voiman kohdistamista taajuudella yhtä suuri kuin kohteen luonnollinen liiketaajuus, jota joskus kutsutaan resonanssiksi taajuus.
Kaikilla esineillä on luonnollinen taajuus tai resonanssitaajuus, jonka voit ajatella taajuudella, jolla esine “tykkää” värisemään. Esimerkiksi, jos napautat kristallilasia kynsillä, se alkaa värähtelemään resonanssitaajuuksellaan ja tuottaa vastaavan äänenvoimakkuuden. Tärinän taajuus riippuu kohteen fysikaalisista ominaisuuksista, ja voit ennustaa tämän melko hyvin joillekin asioille, kuten kireälle merkkijonolle.
Esimerkkejä resonanssista - ääniresonanssi
Oppiminen joistakin resonanssiesimerkkeistä auttaa sinua ymmärtämään erilaisia resonanssimuotoja, joita kohtaat jokapäiväisessä elämässäsi. Yleisin ja yksinkertaisin esimerkki on ääniaallot, koska kun värisät äänijohtoja oikealla (kurkun ja suun ontelolle), voit tuottaa puheääniä ja musiikkisävyjä, joita muut ihmiset voi kuulla.
Äänijohtojen värinä tuottaa ääniaallot, jotka ovat todella paine-aaltoja muodostuneessa ilmassa vuorotellen pakattuja osia (keskitiheyttä suurempi) ja harvinaisuuksia (keskimääräistä pienempi) tiheys).
Suurin osa soittimista toimii samalla tavalla. Esimerkiksi puhallinsoittimessa soittimen huulien tärinä suukappaletta vasten luo alkuperäisen värähtelyn, ja kun tämä vastaa resonanssia taajuus (tai sen moninkertainen) sen putken koolle, johon hän puhaltaa, on resonanssi, ja värähtelyn amplitudi kasvaa huomattavasti ja tuottaa äänimerkki.
Puupuhaltimissa on "ruoko", joka värisee, kun ilma kulkee sen yli, ja jälleen sama resonanssi- ja vahvistamisprosessi muuttaa tämän pienen värähtelyn kuultavaksi musiikkisävyksi. Jousisoittimet, kuten kitara, ovat hieman erilaisia, mutta jousilla on kaikuva tärinätaajuus ja tuotetut ääniaallot resonoivat ontelossa (esim. akustisen kitaran rungossa olevassa tilassa) melun tekemiseksi kovemmin.
Yksinkertaisempi esimerkki on, kun pudotat työkalun tai levyn maahan. Tuotettu paukku johtuu siitä, että työkalu tai levy värisee sen resonanssitaajuudella. Tätä yksinkertaisempaa äänen tuottamistapaa käyttävät huolella suunnitellut virityshaarukat, jotka on suunniteltu niin tuottaa tietyn äänenvoimakkuuden luonnollisena taajuutena, jonka muusikot voivat sitten virittää instrumenttinsa .
Esimerkkejä resonanssista - mekaaninen resonanssi
Vaikka resonanssia käytetään yleensä viittaamaan ääniaaltoihin, mekaaninen resonanssi on joillakin tavoin helpompi ymmärtää. Yksinkertainen esimerkki on lapsi, joka oppii pumppaamaan keinua ensimmäistä kertaa. Keinun värähtelyliikkeellä on luonnollinen taajuus ja kun lapsi oppii työntämään (eli käytä jaksollista voimaa) swingin luonnollisella taajuudella, heidän työntöstään tulee paljon enemmän tehokas. Tämän seurauksena keinun värähtelyn amplitudi kasvaa ja siinä istuva henkilö nousee joka kerta korkeammalle.
Kohteen luonnollisen taajuuden lyöminen ei kuitenkaan ole aina hyvä asia. Esimerkiksi köysisillan yli yhtenäisesti marssivat sotilaat voivat saada sen värisemään hallitsematta ja mahdollisesti jopa romahtamaan, jos he astuvat sen luonnollisella taajuudella. Tällaisissa tapauksissa kenraali saattaa pyytää heitä "rikkomaan askelta", joten he eivät käytä jaksollista voimaa sillan luonnollisella taajuudella.
Vielä vakaammilla siltamalleilla on resonanssitaajuudet, mutta tämä aiheuttaa ongelman vain harvoissa tapauksissa (kuten Broughtonin riippusilta, Englannissa sijaitseva silta, joka romahti vuonna 1831, oletettavasti johtuen sotilaista, jotka marssivat askeleen yli silta).
Analogiset kellot riippuvat myös mekaanisesta resonanssista ja komponentin luonnollisesta taajuudesta ajan pitämiseksi. Esimerkiksi heilurikellot käyttävät heilurin luonnollista heilahtelutaajuutta ajan pitämiseen, ja tasapainopyörä toimii samalla perusperiaatteella. Jopa kvartsikidekellot riippuvat resonanssitaajuudesta, mutta tässä tapauksessa kide säätelee värähtely elektronisesta oskillaattorista, mikä parantaa valtavasti tarkkuutta verrattuna yksinkertaisempaan malleja.
Muita esimerkkejä resonanssista
Myös resonanssimuotoja on monia muita, ja ne kaikki toimivat samalla perusperiaatteella. Kaksi muuta esimerkkiä resonanssista, jotka tunnet, liittyvät pikemminkin sähkömagneettisiin värähtelyihin kuin mekaanisiin. Ensimmäinen on mikroaaltouuni.
Mikroaaltouunin tuottamat aallot tuottavat lämpöä ruoassasi, koska niiden taajuus vastaa mikroaaltojen resonanssitaajuutta molekyylit ruoan sisällä (esim. vesi- ja rasvamolekyylit), mikä saa heidät heiluttamaan ja vapauttamaan sen jälkeen energiaa muodossa lämpöä.
Toinen esimerkki on television antenni tai jopa radioantenni. Nämä laitteet on suunniteltu maksimoimaan sähkömagneettisen säteilyn absorptio, ja kun "virität" antennin tietylle taajuudelle, säädät laitteen resonanssitaajuutta. Kun antennin taajuus vastaa saapuvan signaalin taajuutta, se soi ja televisio tai radio “ottaa” signaalin.
Joten miten kristalli murtuu?
Nyt kun ymmärrät resonanssin määritelmän ja resonanssitaajuuden avainkohdat, voit ymmärtää klassisen esimerkin laulajasta, joka onnistuu rikkomaan kristallilasin laulamalla oikealla piki. Lasilla on resonanssitaajuus, ja jos laulaja tuottaa äänen vastaavalla taajuudella, lasi alkaa väristä. Tätä kutsutaan a sympaattinen tärinä koska ennen laulajan melua lasi oli täysin paikallaan.
Aluksi lasissa voi olla pieni tärinä, mutta sen särkyminen todella vaatii jatkuvaa ja kovaa nuottia oikealla taajuudella. Jos laulaja pystyy tähän, lasin värähtelyn amplitudi kasvaa ja alkaa lopulta vaarantaa lasin rakenteellisen eheyden. Vasta tässä vaiheessa - kun nuotti on ollut yllä riittävän kauan, jotta lasin tärinä saavuttaa maksimaalisen amplitudin, jota se voi tukea -, kun lasi todella rikkoutuu.