Mindenki ismeri azt a régi trópusot, ahol egy erőmű operaénekese eléri a megfelelő hangot, és egy kristályüveg széttörik a zajtól, de valóban lehetséges? A helyzet távolinak tűnhet, mint valami, amit sokkal valószínűbbnek látna filmekben vagy rajzfilmekben, mint a való életben.
Valójában a jelenség rezonancia azt jelenti, hogy ez technikailag lehetséges a való életben, legyen az a rezonáns frekvencia (az, amelyik megfelel) az üveg természetes frekvenciája) valakinek a hangján vagy egy vagy több zenei produkcióval állítják elő eszközök.
Ha többet szeretne megtudni a rezonanciáról, megismerheti a hang működését, a sokakat megalapozó elveket hangszerek és hogyan lehet növelni vagy csökkenteni a mozgást olyan mechanikus rendszerben, mint a lengőkészlet vagy a kötél híd.
A rezonancia meghatározása
A szó rezonancia eredetileg a latin nyelvből származik rezonancia, jelentése „visszhang”, és szorosan kapcsolódik a zengéshez, ami azt jelenti, hogy visszhangot vagy „hangot adunk vissza”. Ezek két definíció már a hanghullámokra vonatkozik, és alapvető képet ad a szó fizikában elfoglalt jelentéséről is.
Konkrétabban, a fizika rezonanciájának meghatározása az, amikor a külső rezgés vagy rezgés frekvenciája megegyezik egy tárgy (vagy üreg) természetes frekvencia, és ennek eredményeként vagy rezegést okoz, vagy növeli a rezgés amplitúdóját.
A mechanikai rendszerekben a rezonancia a hang vagy más rezgések erősítésére, megerősítésére vagy meghosszabbítására vonatkozik. Ahogy a fenti definícióban, ehhez külső periodikus erő gyakoriságára van szükség egyenlő a tárgy természetes mozgásfrekvenciájával, amelyet néha rezonánsnak is neveznek frekvencia.
Minden objektumnak természetes vagy rezonáns frekvenciája van, amelyet úgy gondolhat, mint azt a frekvenciát, amelyen az objektum „szeret” rezegni. Például, ha megérinti a körmével a kristálypoharat, akkor az rezegni kezd a rezonáns frekvenciáján, és megfelelő hangmagasságú „csípést” eredményez. A rezgés gyakorisága az objektum fizikai tulajdonságaitól függ, és ezt néhány dologra, például feszes húrra, nagyon jól meg lehet jósolni.
Példák rezonanciára - hangrezonancia
A rezonancia néhány példájának megismerése segít megérteni a rezonancia különböző formáit, amelyekkel a mindennapi életben találkozik. A leggyakoribb és legegyszerűbb példa a hanghullámok, mert amikor jobbra rezeg a hangszalag gyakorisággal (a torok és a száj üregéhez), beszédhangokat és zenei hangokat állíthat elő, amelyeket más emberek hallhat.
A hangszalagok rezgése előidézi a hanghullámokat, amelyek valóban nyomáshullámok a levegőben, amelyekből áll tömörített szakaszok váltakozása (az átlagosnál nagyobb sűrűséggel) és ritkaságszámok (az átlagosnál kisebb sűrűséggel) sűrűség).
A legtöbb hangszer ugyanúgy működik. Például egy rézfúvós hangszerben a játékos ajkának a szájrészhez viszonyított rezgése hozza létre a kezdeti rezgést, és amikor ez megegyezik a rezonánssal a frekvencia (vagy annak többszöröse) annak a csőnek a méretéhez, amelybe befúj, rezonancia van, és a rezgés amplitúdója jelentősen megnő, és hallható hang.
A fafúvós hangszerekben van egy „nád”, amely rezeg, amikor a levegő áthalad rajta, és ismét ugyanaz a rezonancia és erősítés folyamata változtatja ezt a kis rezgést hallható zenei hangzá. A vonós hangszerek, mint a gitár, kissé eltérnek egymástól, de a húrok rezgő frekvenciájúak és az előállított hanghullámok rezonálnak az üregben (például egy akusztikus gitár testében lévő térben), hogy zajt keltenek hangosabb.
Egyszerűbb példa, amikor egy szerszámot vagy lemezt a földre ejt. Az előállított csörgést az okozza, hogy a szerszám vagy a lemez rezgő frekvenciáján rezeg. A hang előállításának ezt az egyszerűbb módját gondosan megtervezett hangvillák használják, amelyeket úgy terveztek hogy a természetes frekvenciájuknak megfelelő hangmagasságot állítsanak elő, amelyet a zenészek aztán hangolhatnak hangszereikre nak nek.
Példák rezonanciára - mechanikus rezonancia
Bár a rezonanciát általában hanghullámokra utalják, a mechanikai rezonanciát bizonyos szempontból könnyebb megérteni. Egyszerű példa egy gyermek, aki először tanul megtanulni hintát. A lengés oszcillációs mozgásának természetes frekvenciája van, és amikor a gyermek megtanulja nyomni (azaz periodikus erőt alkalmazzon) a hinta természetes frekvenciáján, a tolásuk sokkal nagyobbá válik hatékony. Ennek eredményeként a lengés amplitúdója növekszik, és a rajta ülő személy minden alkalommal magasabbra megy.
A tárgy természetes frekvenciájának eltalálása azonban nem mindig jó dolog. Például a kötélhídon egyhangúan felvonuló katonák az irányításon kívüli rezgést és akár összeomlást is okozhatnak, ha annak természetes frekvenciájára lépnek. Ilyen esetekben a tábornok megkérheti őket, hogy „törjék meg a lépést”, így nem alkalmaznak periodikus erőt a híd természetes frekvenciáján.
Még stabilabb hídtervek rezonáns frekvenciákkal rendelkeznek, de ez csak ritka okokból okoz problémát (például a A Broughton függőhíd, egy angliai híd, amely 1831-ben omlott össze, állítólag a katonák léptekkel menetelve híd).
Az analóg órák a mechanikus rezonanciától és az alkatrész természetes frekvenciájától is függenek az időtartam érdekében. Például az ingaórák az időtartáshoz az inga lengésének természetes frekvenciáját használják, és a kiegyensúlyozó kerék ugyanazon az alapelven működik. Még a kvarckristály órák is függenek a rezonancia frekvenciájától, de ebben az esetben a kristály szabályozza a elektronikus oszcillátorból származó oszcilláció, ami az egyszerűséghez képest hatalmas pontosságjavulást eredményez tervez.
A rezonancia egyéb példái
A rezonancia számos más formája is létezik, és mindegyik ugyanazon az alapelven működik. A rezonancia két másik példája, amelyek ismerősek, nem az mechanikus, hanem az elektromágneses rezgésekhez kapcsolódnak. Az első a mikrohullámú sütő.
A mikrohullámú sütő által termelt hullámok hőt termelnek az ételedben, mert frekvenciájuk megegyezik a az élelmiszer belsejében lévő molekulák (pl. víz- és zsírmolekulák), ami megingást és későbbi energia felszabadulást okoz hő.
Egy másik példa a TV-készülék antennája vagy akár egy rádióantenna. Ezeket az eszközöket az elektromágneses sugárzás abszorpciójának maximalizálására tervezték, és amikor az antennát egy adott frekvenciára "hangolja", akkor az eszköz rezonancia frekvenciáját állítja be. Ha az antenna frekvenciája megegyezik a bejövő jel frekvenciájával, akkor visszhangzik, és a tévé vagy a rádió „felveszi” a jelet.
Tehát hogyan törik meg a kristály?
Most, hogy megértette a rezonancia meghatározásának legfontosabb pontjait és azt, hogy mi a rezonancia frekvencia, megértheti azt a klasszikus példát, amikor az énekesnek jobb oldali énekléssel sikerül betörnie egy kristálypohárba hangmagasság. Az üvegnek rezonáns frekvenciája van, és ha az énekes megfelelő frekvenciájú hangot produkál, akkor az üveg rezegni kezd. Ezt hívják a szimpatikus rezgés mert mielőtt az énekes zajt hallatott volna, a pohár teljesen mozdulatlan volt.
Eleinte előfordulhat, hogy egy kis rezgés van az üvegben, de valójában annak szétzúzásához tartós és hangos hangra van szükség a megfelelő frekvencián. Ha az énekes meg tudja ezt tenni, az üveg oszcillációjának amplitúdója növekszik, és végül kezdi veszélyeztetni az üveg szerkezeti integritását. Csak ezen a ponton - amikor a hang elég hosszú ideig fennmaradt ahhoz, hogy az üveg rezgése elérje a maximális amplitúdót, amelyet támogatni tud -, amikor az üveg valóban megtörik.