Rezonanse: definīcija, veidi, biežums un piemēri

Ikviens zina veco tropu, kur spēka operdziedātājs sit pareizo noti un kristāla stikls sadragā no trokšņa, bet vai tas tiešām ir iespējams? Var šķist, ka situācija ir tālsatiksmes, piemēram, kaut kas vairāk redzams filmās vai karikatūrās nekā reālajā dzīvē.

Patiesībā parādība rezonanse nozīmē, ka tas ir tehniski iespējams reālajā dzīvē, neatkarīgi no tā, vai rezonanses frekvence (tā, kas atbilst dabiskā stikla frekvence) rada kāda balss vai viens vai daudzi muzikāli instrumenti.

Uzzinot vairāk par rezonansi, jūs varat saprast, kā darbojas skaņa, daudzu principu pamatā mūzikas instrumenti un kā palielināt vai samazināt kustību mehāniskā sistēmā, piemēram, šūpoles vai virves tilts.

Vārds rezonanse sākotnēji nāk no latīņu valodas rezonanse, kas nozīmē “atbalss”, un tas ir cieši saistīts ar skanējumu, kas nozīmē atgriezt atbalsi vai “skaņu vēlreiz”. Šie divas definīcijas jau attiecas uz skaņas viļņiem un sniedz jums pamata priekšstatu par vārda nozīmi fizikā arī.

Tomēr precīzāk, rezonanses definīcija fizikā ir tad, kad ārējās svārstības vai vibrācijas biežums sakrīt ar objektu (vai dobumu)

Mehāniskajās sistēmās rezonanse attiecas uz skaņas vai citu vibrāciju pastiprināšanu, pastiprināšanu vai pagarināšanu. Tāpat kā iepriekšminētajā definīcijā, tas prasa ārēju periodisku spēku, kas jāpielieto frekvencē vienāds ar objekta dabisko kustības biežumu, ko dažreiz sauc par rezonansi biežums.

Visiem objektiem ir dabiska frekvence vai rezonanses frekvence, kuru jūs varat iedomāties kā frekvenci, kurai objekts “patīk” vibrēt. Piemēram, ja piesitat kristāla stiklam ar nagu, tas sāks vibrēt savā rezonanses frekvencē un radīs “nokrāsu” ar atbilstošu piķi. Vibrācijas biežums ir atkarīgs no objekta fiziskajām īpašībām, un jūs to varat diezgan labi paredzēt dažām lietām, piemēram, saspringtai virknei.

Uzzinot par dažiem rezonanses piemēriem, jūs varēsit izprast dažādas rezonanses formas, ar kurām jūs sastopaties ikdienas dzīvē. Visizplatītākais un vienkāršākais piemērs ir skaņas viļņi, jo, vibrējot balss saites labajā pusē (kakla un mutes dobumam), jūs varat radīt runas un mūzikas toņus, kurus citi cilvēki var dzirdēt.

Jūsu balss saišu vibrācija rada skaņas viļņus, kas patiešām ir spiediena viļņi gaisā, no kura sastāv mainot saspiestās sekcijas (ar lielāku blīvumu nekā vidēji) un retumus (ar mazāku par vidējo blīvums).

Lielākā daļa mūzikas instrumentu darbojas vienādi. Piemēram, pūtēju instrumentā atskaņotāja lūpu vibrācija pret iemuti rada sākotnējo vibrāciju, un, ja tā sakrīt ar rezonansi caurules izmēram (vai tā daudzkārtnei), kurā viņš vai viņa pūš, ir rezonanse, un svārstību amplitūda ievērojami palielinās un rada dzirdams signāls.

Koka pūtēju instrumentos ir “niedre”, kas vibrē, kad gaiss tam pāriet, un atkal tas pats rezonanses un pastiprināšanas process šo mazo vibrāciju pārvērš dzirdamā mūzikas tonī. Stīgu instrumenti, piemēram, ģitāra, ir nedaudz atšķirīgi, bet stīgām ir rezonējoša vibrācijas frekvence, un radītie skaņas viļņi rezonē dobumā (piemēram, akustiskās ģitāras korpusa telpā), lai radītu troksni skaļāk.

Vienkāršāks piemērs ir tad, kad nometat instrumentu vai plāksni uz zemes. Izgatavoto kliņķi izraisa rīks vai plāksne, kas vibrē tā rezonanses frekvencē. Šo vienkāršāko skaņas ģenerēšanas veidu izmanto rūpīgi izstrādātas skaņas dakšas, kas ir izstrādātas tā, lai radīt noteiktu augstumu kā to dabisko frekvenci, kuru mūziķi pēc tam var noskaņot savus instrumentus uz.

Lai gan rezonansi parasti lieto, lai apzīmētu skaņas viļņus, mehānisko rezonansi dažos veidos ir vieglāk saprast. Vienkāršs piemērs ir bērns, kurš pirmo reizi iemācās sūknēt šūpoles. Šūpoles svārstību kustībai ir dabiska frekvence, un, kad bērns iemācās spiest (t.i., jāpielieto periodisks spēks) šūpoles dabiskajā frekvencē, to stumšana kļūst daudz lielāka efektīvs. Tā rezultātā šūpoles svārstību amplitūda palielinās, un cilvēks, kas uz tā sēž, katru reizi iet uz augšu.

Lai sasniegtu objekta dabisko frekvenci, tā ne vienmēr ir laba lieta. Piemēram, karavīri, kas vienoti soļo pāri virvju tiltam, var izraisīt tā vibrāciju no kontroles un, iespējams, pat sabrukšanu, ja viņi soli iet dabiskajā frekvencē. Šādos gadījumos ģenerālis var lūgt viņus “pārtraukt soli”, tāpēc viņi nepielieto periodisku spēku tilta dabiskajā frekvencē.

Pat stabilākiem tiltu dizainiem ir rezonanses frekvences, taču tas rada problēmu tikai retos gadījumos (piemēram, ar Broughton Suspension Bridge, tilts Anglijā, kas sabruka 1831. gadā, domājams, ka karavīri soli soļoja pāri tilts).

Lai saglabātu laiku, analogie pulksteņi ir atkarīgi arī no mehāniskās rezonanses un komponenta dabiskās frekvences. Piemēram, svārsta pulksteņi izmanto svārsta svārstību dabisko frekvenci, lai saglabātu laiku, un līdzsvara ritenis darbojas pēc tā paša pamatprincipa. Pat kvarca kristāla pulksteņi ir atkarīgi no rezonanses frekvences, bet šajā gadījumā kristāls regulē svārstības no elektroniskā oscilatora, kā rezultātā ievērojami uzlabojas precizitāte salīdzinājumā ar vienkāršāku dizainparaugiem.

Ir arī daudzi citi rezonanses veidi, un visi no tiem darbojas pēc viena un tā paša principa. Divi citi jums pazīstami rezonanses piemēri ir saistīti ar elektromagnētiskām svārstībām, nevis ar mehāniskām. Pirmais ir jūsu mikroviļņu krāsns.

Viļņi, ko rada mikroviļņu krāsns, ražo siltumu jūsu ēdienā, jo to frekvence atbilst rezonanses frekvencei pārtikas iekšienē esošās molekulas (piemēram, ūdens un tauku molekulas), kas liek tām svārstīties un pēc tam atbrīvot enerģiju siltuma.

Vēl viens piemērs ir televizora antena vai pat radio antena. Šīs ierīces ir paredzētas, lai maksimāli palielinātu elektromagnētiskā starojuma absorbciju, un, noskaņojot antenu uz noteiktu frekvenci, jūs pielāgojat ierīces rezonanses frekvenci. Kad antenas frekvence sakrīt ar ienākošā signāla frekvenci, tā atbalsojas, un televizors vai radio “uztver” signālu.

Tagad, kad esat sapratis galvenos punktus par rezonanses definīciju un to, kāda ir rezonanses frekvence, jūs varat saprast klasisko piemēru, kad dziedātājam izdodas izsist kristāla glāzi, dziedot labajā pusē piķis. Stiklam ir rezonanses frekvence, un, ja dziedātājs rada skaņu ar atbilstošu frekvenci, stikls sāks vibrēt. To sauc par a simpātiska vibrācija jo pirms dziedātāja trokšņa glāze bija pilnīgi nekustīga.

Sākumā stiklā var būt neliela vibrācija, bet patiesībā, lai padarītu to saplīstošu, nepieciešama noturīga un skaļa piezīme pareizajā frekvencē. Ja dziedātājs to var izdarīt, stikla svārstību amplitūda palielinās un galu galā sāk apdraudēt stikla strukturālo integritāti. Tas ir tikai šajā brīdī - kad nots ir noturējusies pietiekami ilgi, lai stikla vibrācija sasniegtu maksimālo amplitūdu, ko tā var atbalstīt, kad stikls faktiski saplīsīs.