Rezonansas: apibrėžimas, tipai, dažnis ir pavyzdžiai

Visi žino seną tropą, kur galiūnas operos dainininkas pataiko reikiamą natą, o krištolo stiklas sutrūkinėja nuo triukšmo, bet ar tai tikrai įmanoma? Situacija gali atrodyti toli gražu ne tokia, kokią matytumėte kur kas labiau tikruose filmuose ar animaciniuose filmuose.

Tiesą sakant, reiškinys rezonansas reiškia, kad tai realiai įmanoma realiame gyvenime, nesvarbu, ar rezonansinis dažnis (tas, kuris atitinka natūralus stiklo dažnis) sukuria kažkieno balsas arba vienas ar daugelis muzikinių instrumentai.

Sužinoję daugiau apie rezonansą, galite suprasti, kaip veikia garsas, daugelio principai muzikos instrumentai ir kaip padidinti ar sumažinti judėjimą mechanine sistema, pavyzdžiui, sūpynių rinkiniu ar virve tiltas.

Žodis rezonansas iš pradžių kilęs iš lotynų kalbos rezonansas, reiškiantis „aidas“, ir jis yra glaudžiai susijęs su garsu, o tai reiškia vėl sugrąžinti aidą ar „garsą“. Šie du apibrėžimai jau yra susiję su garso bangomis ir suteikia pagrindinį žodžio reikšmės fizikoje vaizdą taip pat.

Tačiau konkrečiau, rezonanso apibrėžimas fizikoje yra tada, kai išorinio svyravimo ar vibracijos dažnis sutampa su daiktu (ar ertme) natūralus dažnisir dėl to arba sukelia vibraciją, arba padidina svyravimo amplitudę.

Mechaninėse sistemose rezonansas reiškia garso ar kitų vibracijų stiprinimą, sustiprinimą ar pailgėjimą. Kaip ir aukščiau pateiktame apibrėžime, tam reikia, kad išorinė periodinė jėga būtų taikoma dažniu lygus natūraliam daikto judėjimo dažniui, kuris kartais vadinamas rezonansu dažnis.

Visi objektai turi natūralų dažnį arba rezonansinį dažnį, kurį galite galvoti kaip apie dažnį, kuriuo objektas „mėgsta“ vibruoti. Pvz., Jei bakstelėsite krištolinį stiklą nagu, jis pradės vibruoti savo rezonansiniu dažniu ir sukels „tingą“ su atitinkamu žingsniu. Vibracijos dažnis priklauso nuo fizinių objekto savybių, ir jūs galite tai gana gerai numatyti kai kuriems dalykams, pavyzdžiui, įtemptai stygai.

Sužinoję apie kai kuriuos rezonanso pavyzdžius, galėsite suprasti įvairias rezonanso formas, su kuriomis susiduriate kasdieniame gyvenime. Dažniausias ir paprasčiausias pavyzdys yra garso bangos, nes kai vibruojate balso stygas dešinėje (gerklės ir burnos ertmėms), galite gaminti kalbos tonus ir muzikinius tonus gali girdėti.

Jūsų balso stygų vibracija sukelia garso bangas, kurios iš tikrųjų yra slėgio bangos ore, kurį sudaro kintamos suspaustos sekcijos (kurių tankis didesnis nei vidutinis) ir retenybės (mažesnės nei vidutinės) tankis).

Dauguma muzikos instrumentų veikia vienodai. Pavyzdžiui, pučiamųjų instrumentų grotuvo lūpų vibracija prieš kandiklį sukuria pradinę vibraciją, o kai tai atitinka rezonansą vamzdžio, į kurį jis ar ji pučia, dydžio dažnis (arba jo kartotinis), yra rezonansas, o svyravimo amplitudė žymiai padidėja ir sukuria girdimas tonas.

Medinių pučiamųjų instrumentuose yra „nendrė“, kuri vibruoja, kai oras praeina, ir vėl tas pats rezonanso ir stiprinimo procesas paverčia šią mažą vibraciją girdimu muzikiniu tonu. Styginiai instrumentai, tokie kaip gitara, šiek tiek skiriasi, tačiau stygos turi rezonansinį vibracijos dažnį ir sukurtos garso bangos rezonuoja ertmėje (pvz., akustinės gitaros kūno erdvėje), kad sukeltų triukšmą garsiau.

Paprastesnis pavyzdys - kai ant žemės numetate įrankį ar plokštelę. Sukeltą sprogimą sukelia įrankis arba plokštė, vibruojanti jo rezonansiniu dažniu. Šį paprastesnį garso generavimo būdą naudoja kruopščiai suprojektuotos derinimo šakės, sukurtos taip gaminti tam tikrą aukštį kaip jų natūralų dažnį, kurį muzikantai gali sureguliuoti savo instrumentais į.

Nors rezonansas dažniausiai naudojamas garso bangoms nurodyti, mechaninis rezonansas tam tikrais būdais yra lengviau suprantamas. Paprastas pavyzdys - vaikas pirmą kartą mokosi pumpuoti sūpynes. Svyruojantis sūpynės judesys turi natūralų dažnį, o kai vaikas išmoksta stumti (t. y. taikyti periodinę jėgą) natūraliu sūpynių dažniu, jų stūmimas tampa daug didesnis veiksmingas. Dėl to sūpynių svyravimo amplitudė didėja, o ant jo sėdintis žmogus kaskart eina didesnė.

Vis dėlto pataikyti į natūralų daikto dažnį nėra gerai. Pavyzdžiui, kariai, vieningai žygiuojantys per virvių tiltą, gali priversti jį nevaldyti ir galbūt net žlugti, jei jie žengtų natūraliu dažniu. Tokiais atvejais generolas gali paprašyti jų „nutraukti žingsnį“, todėl jie netaiko periodinės jėgos natūraliu tilto dažniu.

Dar stabilesni tiltų projektai turi rezonansinius dažnius, tačiau tai sukelia problemų tik dėl retų priežasčių (pavyzdžiui, su Broughtono pakabinimo tiltas - tiltas Anglijoje, sugriuvęs 1831 m., Tariamai dėl to, kad kareiviai žygiavo žingsniu per tiltas).

Analoginiai laikrodžiai taip pat priklauso nuo mechaninio rezonanso ir natūralaus komponento dažnio, norint išlaikyti laiką. Pavyzdžiui, švytuokliniai laikrodžiai laiko natūralų švytuoklės svyravimo dažnį, kad išlaikytų laiką, o balanso ratukas veikia tuo pačiu pagrindiniu principu. Net kvarciniai kristaliniai laikrodžiai priklauso nuo rezonanso dažnio, tačiau šiuo atveju kristalas reguliuoja svyravimas iš elektroninio osciliatoriaus, dėl kurio labai pagerėja tikslumas, palyginti su paprastesniu dizainai.

Yra ir daugybė kitų rezonanso formų, ir visos jos veikia tuo pačiu pagrindiniu principu. Du kiti jums žinomi rezonanso pavyzdžiai yra susiję su elektromagnetiniais virpesiais, o ne su mechaniniais. Pirmasis yra jūsų mikrobangų krosnelė.

Bangos, kurias sukelia mikrobangų krosnelė, gamina šilumą jūsų maiste, nes jų dažnis sutampa su maisto molekulėse esančios molekulės (pvz., vandens ir riebalų molekulės), dėl ko jos suvirpa ir vėliau išskiria energiją šilumos.

Kitas pavyzdys yra jūsų televizoriaus antena ar net radijo antena. Šie įtaisai yra sukurti tam, kad maksimaliai absorbuotų elektromagnetinę spinduliuotę, o kai „derinate“ anteną prie konkretaus dažnio, koreguojate prietaiso rezonanso dažnį. Kai antenos dažnis sutampa su gaunamo signalo dažniu, jis rezonuoja ir jūsų televizorius ar radijas „pasiima“ signalą.

Dabar, kai suprantate pagrindinius rezonanso apibrėžimo aspektus ir tai, koks yra rezonanso dažnis, galite suprasti klasikinį pavyzdį, kai dainininkas sugeba išdaužti krištolo taurę dainuodamas dešinėje pikis. Stiklas turi rezonansinį dažnį, ir jei dainininkas sukuria garsą, kurio dažnis yra tinkamas, stiklas pradės vibruoti. Tai vadinama a simpatiška vibracija nes prieš dainininkui keliant triukšmą, taurė buvo visiškai nejudanti.

Iš pradžių stikle gali būti nedidelė vibracija, tačiau iš tikrųjų norint, kad jis sutrūktų, reikia ilgalaikio ir garsaus užrašo tinkamu dažniu. Jei dainininkas tai gali padaryti, stiklo virpesių amplitudė padidėja ir ilgainiui pradeda kenkti stiklo konstrukcijos vientisumui. Tik tuo metu - kai nata išlaikyta pakankamai ilgai, kad stiklo vibracija pasiektų didžiausią amplitudę, kurią ji gali palaikyti, - kai stiklas iš tikrųjų sulūš.