Rezonancija: definicija, vrste, frekvencija i primjeri

Svima je poznat stari trop u kojem snažni operni pjevač pogađa pravu notu, a kristalno staklo razbija se od buke, ali je li to stvarno moguće? Situacija se može činiti pretjeranom, poput nečega što biste puno vjerojatnije vidjeli u filmovima ili crtićima nego u stvarnom životu.

Zapravo, fenomen rezonancija znači da je tehnički moguće u stvarnom životu, bez obzira je li rezonantna frekvencija (ona koja odgovara prirodna frekvencija čaše) stvara nečiji glas ili jedan ili više mjuzikla instrumenti.

Učenje više o rezonanciji daje vam razumijevanje kako zvuk djeluje, principi koji podupiru mnoge glazbeni instrumenti i kako povećati ili smanjiti kretanje u mehaničkom sustavu poput ljuljačke ili konopa most.

Riječ rezonancija izvorno dolazi od latinskog rezonancija, što znači "odjek", a usko je povezan sa zvukom, što znači vratiti eho ili "zvuk ponovo". Ovi dvije se definicije već odnose na zvučne valove i daju vam osnovnu sliku značenja riječi u fizici isto.

Međutim, preciznije, definicija rezonancije u fizici je kada se frekvencija vanjskog titranja ili vibracije podudara s objektom (ili šupljinom)

U mehaničkim sustavima, rezonancija se odnosi na pojačanje, pojačanje ili produljenje zvuka ili drugih vibracija. Baš kao u gornjoj definiciji, to zahtijeva vanjsku periodičku silu koja se primjenjuje na frekvenciji jednaka prirodnoj frekvenciji gibanja za objekt, koja se ponekad naziva i rezonantnom frekvencija.

Svi objekti imaju prirodnu frekvenciju ili rezonantnu frekvenciju, što možete smatrati frekvencijom na kojoj objekt "voli" vibrirati. Na primjer, ako noktom tapkate kristalno staklo, ono će početi vibrirati na svojoj rezonantnoj frekvenciji i proizvest će "ting" s odgovarajućim korakom. Učestalost vibracija ovisi o fizičkim svojstvima predmeta i to možete prilično dobro predvidjeti za neke stvari poput napete žice.

Učenje o nekim primjerima rezonancije pomoći će vam da razumijete razne oblike rezonancije s kojima se susrećete u svom svakodnevnom životu. Najčešći i najjednostavniji primjer su zvučni valovi jer kad vibrirate glasnice s desne strane frekvencije (za šupljinu grla i usta) možete proizvesti tonove govora i glazbene tonove kao i drugi ljudi može čuti.

Vibracija vaših glasnih žica stvara zvučne valove, koji su stvarno valovi tlaka u zraku od kojih se sastoji izmjenični komprimirani dijelovi (s većom od prosječne gustoće) i rijetki (s manje od prosječne gustoća).

Većina glazbenih instrumenata radi na isti način. Na primjer, u limenom instrumentu, vibracija usana igrača na usniku stvara početnu vibraciju i kada se to podudara s rezonantnom frekvencije (ili višestruke) za veličinu cijevi u koju puše, dolazi do rezonancije, a amplituda titranja se značajno povećava i stvara zvučni ton.

U drvenim puhačkim instrumentima postoji „trska“ koja vibrira dok se zrak provlači preko nje, a opet isti postupak rezonancije i pojačanja pretvara ovu malu vibraciju u zvučni glazbeni ton. Gudački instrumenti poput gitare malo su različiti, ali gudači imaju rezonantnu frekvenciju vibracija, kao i proizvedeni zvučni valovi rezoniraju u šupljini (npr. u prostoru u tijelu akustične gitare) kako bi stvorili buku glasnije.

Jednostavniji je primjer kada alat ili pločicu ispustite na zemlju. Zveket nastaje zbog alata ili ploče koji titra na svojoj rezonantnoj frekvenciji. Ovaj jednostavniji način stvaranja zvuka koriste se pažljivo dizajniranim ugaonicama, koje su dizajnirane tako da kako bi proizveli određenu visinu tona kao svoju prirodnu frekvenciju, koju glazbenici zatim mogu podesiti svoje instrumente do.

Iako se rezonancija obično koristi za označavanje zvučnih valova, mehanička rezonanca je na neki način lakše razumljiva. Jednostavan primjer je dijete koje prvi put uči pumpati ljuljačku. Oscilatorno gibanje ljuljačke ima prirodnu frekvenciju i kada dijete nauči gurati (tj. primijeniti povremenu silu) na prirodnoj frekvenciji zamaha, njihovo potiskivanje postaje mnogo više djelotvoran. Kao rezultat toga, amplituda titranja ljuljačke se povećava i osoba koja sjedi na njoj svaki put raste.

Udaranje prirodne frekvencije objekta ipak nije uvijek dobra stvar. Na primjer, vojnici koji jednoglasno marširaju preko mosta od užeta mogli bi prouzročiti da vibrira izvan kontrole, a možda čak i kolabirati ako zakorače na njegovu prirodnu frekvenciju. U slučajevima poput ovog, general bi mogao tražiti od njih da "prekinu korak" kako ne bi primijenili povremenu silu na prirodnoj frekvenciji mosta.

Čak i stabilniji projekti mostova imaju rezonantne frekvencije, ali to uzrokuje probleme samo u rijetkim uzrocima (kao što je kod Viseći most Broughton, most u Engleskoj koji se srušio 1831. godine, navodno zbog vojnika koji su koračali korakom preko most).

Analogni satovi također ovise o mehaničkoj rezonanciji i prirodnoj frekvenciji komponente da bi zadržali vrijeme. Na primjer, satovi s njihalom koriste prirodnu frekvenciju njihanja njihala kako bi zadržali vrijeme, a kotačić za ravnotežu radi na istom osnovnom principu. Čak i kvarcni satovi kristala ovise o rezonancijskoj frekvenciji, ali u ovom slučaju kristal regulira oscilacija iz elektroničkog oscilatora, što je rezultiralo ogromnim poboljšanjima u točnosti u usporedbi s jednostavnijim dizajna.

Postoje i mnogi drugi oblici rezonancije, i svi oni rade na istom osnovnom principu. Dva druga primjera rezonancije koja će vam biti poznata imaju veze s elektromagnetskim oscilacijama, a ne mehaničkim. Prva je vaša mikrovalna pećnica.

Valovi koje proizvodi mikrovalna peć proizvode toplinu u vašoj hrani jer njihova frekvencija odgovara rezonancijskoj frekvenciji molekule unutar hrane (npr. molekule vode i masti), zbog čega se klimaju i oslobađaju energiju u obliku topline.

Drugi je primjer antena za vaš TV ili čak radio antena. Ovi su uređaji dizajnirani da maksimaliziraju apsorpciju elektromagnetskog zračenja, a kada antenu "podesite" na određenu frekvenciju, prilagođavate frekvenciju rezonancije za uređaj. Kad se frekvencija antene podudara s frekvencijom dolaznog signala, ona odjekne i vaš TV ili radio "hvata" signal.

Sad kad razumijete ključne točke u definiciji rezonancije i što je rezonantna frekvencija, možete razumjeti klasični primjer pjevača koji je uspio razbiti kristalnu čašu pjevajući s desne strane nagib. Staklo ima rezonantnu frekvenciju, a ako pjevač proizvede zvuk odgovarajuće frekvencije, staklo će početi vibrirati. To se naziva a simpatična vibracija jer prije nego što je pjevač izdao zvuk, čaša je bila potpuno mirna.

Isprva u staklu mogu postojati male vibracije, ali zapravo za njegovo razbijanje potrebna je trajna i glasna nota prave frekvencije. Ako pjevač to može, amplituda titranja stakla raste i na kraju počinje narušavati strukturni integritet stakla. Tek će se u ovom trenutku - kada se nota održi dovoljno dugo da vibracije stakla dosegnu maksimalnu amplitudu koju može podržati - kada će se staklo stvarno slomiti.