Tout le monde connaît le vieux trope où un chanteur d'opéra puissant frappe la bonne note et un verre de cristal se brise à cause du bruit, mais est-ce vraiment possible? La situation peut sembler farfelue, comme quelque chose que vous seriez beaucoup plus susceptible de voir dans les films ou les dessins animés que dans la vraie vie.
En effet, le phénomène de résonance signifie qu'il est techniquement possible dans la vraie vie, que la fréquence de résonance (celle qui correspond la fréquence naturelle du verre) est produit par la voix de quelqu'un ou par un ou plusieurs instruments.
En savoir plus sur la résonance vous permet de comprendre le fonctionnement du son, les principes qui sous-tendent de nombreux instruments de musique et comment augmenter ou diminuer le mouvement dans un système mécanique comme une balançoire ou une corde pont.
Définition de la résonance
Le mot résonance vient à l'origine du latin résonance, signifiant « écho », et il est étroitement lié au son, ce qui signifie renvoyer un écho ou « sonner à nouveau ». Celles-ci deux définitions se rapportent déjà aux ondes sonores et vous donnent une idée de base du sens du mot en physique trop.
Cependant, plus précisément, la définition de la résonance en physique est lorsque la fréquence d'une oscillation ou d'une vibration externe correspond à un objet (ou à une cavité) fréquence naturelle, et en conséquence soit le fait vibrer, soit augmente son amplitude d'oscillation.
Dans les systèmes mécaniques, la résonance fait référence à l'amplification, au renforcement ou à la prolongation du son ou d'autres vibrations. Tout comme dans la définition ci-dessus, cela nécessite qu'une force périodique externe soit appliquée à une fréquence égale à la fréquence naturelle du mouvement de l'objet, qui est parfois appelée la résonance la fréquence.
Tous les objets ont une fréquence naturelle ou une fréquence de résonance, que vous pouvez considérer comme la fréquence à laquelle l'objet « aime » vibrer. Par exemple, si vous tapotez un verre de cristal avec un ongle, il commencera à vibrer à sa fréquence de résonance et produira un « ting » avec une hauteur correspondante. La fréquence des vibrations dépend des propriétés physiques de l'objet, et vous pouvez la prévoir assez bien pour certaines choses comme une corde tendue.
Exemples de résonance - Résonance sonore
Connaître quelques exemples de résonance vous aidera à comprendre les différentes formes de résonance que vous rencontrez dans votre vie de tous les jours. L'exemple le plus courant et le plus simple est celui des ondes sonores, car lorsque vous faites vibrer vos cordes vocales à droite fréquence (pour la cavité de votre gorge et de votre bouche), vous pouvez produire des tonalités de parole et des tonalités musicales que d'autres personnes peut entendre.
La vibration de vos cordes vocales produit les ondes sonores, qui sont en réalité des ondes de pression dans l'air composées de alternance de sections comprimées (avec une densité supérieure à la moyenne) et de raréfactions (avec une densité inférieure à la moyenne) densité).
La plupart des instruments de musique fonctionnent de la même manière. Par exemple, dans un instrument en cuivre, la vibration des lèvres du joueur contre l'embouchure crée la vibration initiale, et quand cela correspond à la résonance fréquence (ou un multiple de celle-ci) pour la taille du tuyau dans lequel il souffle, il y a résonance, et l'amplitude d'oscillation augmente notablement et produit un tonalité audible.
Dans les instruments à vent, il y a une « anche » qui vibre lorsque de l'air passe dessus, et encore une fois le même processus de résonance et d'amplification transforme cette petite vibration en un son musical audible. Les instruments à cordes comme une guitare sont un peu différents, mais les cordes ont une fréquence de vibration de résonance, et le les ondes sonores produites résonnent dans la cavité (par exemple, dans l'espace dans le corps d'une guitare acoustique) pour faire le bruit Plus fort.
Un exemple plus simple est lorsque vous laissez tomber un outil ou une plaque sur le sol. Le cliquetis produit est causé par la vibration de l'outil ou de la plaque à sa fréquence de résonance. Cette façon plus simple de générer du son est utilisée par des diapasons soigneusement conçus, qui sont conçus de manière à pour produire une hauteur spécifique comme leur fréquence naturelle, que les musiciens peuvent ensuite accorder leurs instruments à.
Exemples de résonance - Résonance mécanique
Bien que la résonance soit généralement utilisée pour désigner les ondes sonores, la résonance mécanique est à certains égards plus facile à comprendre. Un exemple simple est un enfant qui apprend à pomper une balançoire pour la première fois. Le mouvement oscillatoire de la balançoire a une fréquence naturelle, et lorsque l'enfant apprend à pousser (c'est-à-dire appliquer une force périodique) à la fréquence naturelle du swing, leur poussée devient beaucoup plus efficace. En conséquence, l'amplitude d'oscillation de la balançoire augmente et la personne assise dessus augmente à chaque fois.
Cependant, atteindre la fréquence naturelle d'un objet n'est pas toujours une bonne chose. Par exemple, des soldats traversant un pont de corde à l'unisson pourraient le faire vibrer de manière incontrôlable et même s'effondrer s'ils marchent à sa fréquence naturelle. Dans des cas comme celui-ci, le général peut leur demander de « casser le pas » afin qu'ils n'appliquent pas une force périodique à la fréquence naturelle du pont.
Des conceptions de ponts encore plus stables ont des fréquences de résonance, mais cela ne pose un problème que dans de rares causes (comme avec le Broughton Suspension Bridge, un pont en Angleterre qui s'est effondré en 1831, soi-disant en raison de soldats marchant au pas à travers le pont).
Les horloges analogiques dépendent également de la résonance mécanique et de la fréquence naturelle d'un composant pour garder l'heure. Par exemple, les horloges à pendule utilisent la fréquence naturelle de l'oscillation du pendule pour garder le temps, et un balancier fonctionne sur le même principe de base. Même les horloges à quartz dépendent de la fréquence de résonance, mais dans ce cas, le cristal régule le l'oscillation d'un oscillateur électronique, ce qui entraîne d'énormes améliorations de la précision par rapport aux dessins.
Autres exemples de résonance
Il existe également de nombreuses autres formes de résonance, et toutes fonctionnent sur le même principe de base. Deux autres exemples de résonance que vous connaissez bien concernent les oscillations électromagnétiques plutôt que mécaniques. Le premier est votre micro-ondes.
Les ondes produites par le micro-ondes produisent de la chaleur dans vos aliments car leur fréquence correspond à la fréquence de résonance du molécules à l'intérieur de la nourriture (par exemple, les molécules d'eau et de graisse), ce qui les fait vaciller et ensuite libérer de l'énergie sous la forme de chaleur.
Un autre exemple est l'antenne pour votre téléviseur ou même une antenne radio. Ces appareils sont conçus pour maximiser l'absorption du rayonnement électromagnétique, et lorsque vous "réglez" l'antenne sur une fréquence spécifique, vous ajustez la fréquence de résonance de l'appareil. Lorsque la fréquence de l'antenne correspond à la fréquence du signal entrant, elle résonne et votre téléviseur ou radio « capte » le signal.
Alors, comment le cristal se brise-t-il ?
Maintenant que vous comprenez les points clés sur la définition de la résonance et ce qu'est une fréquence de résonance, vous pouvez comprendre l'exemple classique d'un chanteur réussissant à casser un verre de cristal en chantant à droite terrain. Le verre a une fréquence de résonance, et si le chanteur produit un son avec une fréquence correspondante, le verre commencera à vibrer. C'est ce qu'on appelle un vibration sympathique car avant que le chanteur ne fasse du bruit, le verre était complètement immobile.
Au début, il peut y avoir une petite vibration dans le verre, mais pour le faire éclater, il faut une note soutenue et forte à la bonne fréquence. Si le chanteur peut le faire, l'amplitude d'oscillation du verre augmente et finit par compromettre l'intégrité structurelle du verre. Ce n'est qu'à ce stade - lorsque la note a été maintenue assez longtemps pour que la vibration du verre atteigne l'amplitude maximale qu'il peut supporter - que le verre se brisera réellement.