Iedereen kent de oude trope waar een krachtpatser operazanger de juiste snaar raakt en een kristalglas breekt van het lawaai, maar is het echt mogelijk? De situatie lijkt misschien vergezocht, zoals iets dat je veel vaker in films of tekenfilms zou zien dan in het echte leven.
In feite is het fenomeen van resonantie betekent dat het technisch mogelijk is in het echte leven, of de resonantiefrequentie (degene die overeenkomt met) de natuurlijke frequentie van het glas) wordt geproduceerd door iemands stem of door een of meerdere musical instrumenten.
Door meer te leren over resonantie krijg je inzicht in hoe geluid werkt, de principes die ten grondslag liggen aan veel muziekinstrumenten en hoe je beweging kunt vergroten of verkleinen in een mechanisch systeem zoals een schommel of een touw brug.
Definitie van resonantie
Het woord resonantie komt oorspronkelijk uit het Latijn resonantie, wat 'echo' betekent, en het is nauw verwant aan de weerklank, wat betekent dat er een echo of 'opnieuw geluid' moet worden gegeven. Deze twee definities hebben al betrekking op geluidsgolven en geven je een basisbeeld van de betekenis van het woord in de natuurkunde te.
Meer specifiek is de definitie van resonantie in de natuurkunde echter wanneer de frequentie van een externe oscillatie of trilling overeenkomt met een object (of holte) natuurlijke frequentie, en als resultaat zorgt ervoor dat het trilt of verhoogt de trillingsamplitude.
In mechanische systemen verwijst resonantie naar de versterking, versterking of verlenging van geluid of andere trillingen. Net als in de bovenstaande definitie vereist dit dat een externe periodieke kracht wordt uitgeoefend met een frequentie gelijk aan de natuurlijke bewegingsfrequentie van het object, die soms de resonantie wordt genoemd frequentie.
Alle objecten hebben een natuurlijke frequentie of resonantiefrequentie, die je kunt zien als de frequentie waarop het object "graag" trilt. Als u bijvoorbeeld met een vingernagel op een kristalglas tikt, begint het te trillen met zijn resonantiefrequentie en produceert het een "tint" met een overeenkomstige toonhoogte. De trillingsfrequentie hangt af van de fysieke eigenschappen van het object, en je kunt dit vrij goed voorspellen voor sommige dingen, zoals een strak koord.
Voorbeelden van resonantie – Geluidsresonantie
Leren over enkele voorbeelden van resonantie zal je helpen de verschillende vormen van resonantie die je in je dagelijkse leven tegenkomt te begrijpen. Het meest voorkomende en eenvoudigste voorbeeld zijn geluidsgolven, want als je je stembanden aan de rechterkant laat trillen frequentie (voor de holte van uw keel en mond), kunt u spraaktonen en muziektonen produceren die andere mensen kan horen.
De trilling van je stembanden produceert de geluidsgolven, die in feite drukgolven in de lucht zijn die zijn samengesteld uit: afwisselend gecomprimeerde secties (met een meer dan gemiddelde dichtheid) en verdunningen (met een minder dan gemiddelde dichtheid).
De meeste muziekinstrumenten werken op dezelfde manier. In een koperinstrument creëert de trilling van de lippen van de speler tegen het mondstuk bijvoorbeeld de initiële trilling, en wanneer deze overeenkomt met de resonantie frequentie (of een veelvoud daarvan) voor de grootte van de pijp waarin hij of zij blaast, is er resonantie, en de amplitude van de oscillatie neemt aanzienlijk toe en produceert een hoorbare toon.
In houtblazers is er een "riet" dat trilt als er lucht overheen wordt gevoerd, en opnieuw verandert hetzelfde proces van resonantie en versterking deze kleine trilling in een hoorbare muzikale toon. Snaarinstrumenten zoals een gitaar zijn een beetje anders, maar de snaren hebben een resonerende trillingsfrequentie en de geproduceerde geluidsgolven resoneren in de holte (bijvoorbeeld in de ruimte in de body van een akoestische gitaar) om het geluid te maken luider.
Een eenvoudiger voorbeeld is wanneer u een gereedschap of een plaat op de grond laat vallen. Het geproduceerde geluid wordt veroorzaakt doordat het gereedschap of de plaat met zijn resonantiefrequentie trilt. Deze eenvoudigere manier om geluid te genereren wordt gebruikt door zorgvuldig ontworpen stemvorken, die zo zijn ontworpen dat: om een specifieke toonhoogte te produceren als hun natuurlijke frequentie, die muzikanten vervolgens hun instrumenten kunnen stemmen naar.
Voorbeelden van resonantie - Mechanische resonantie
Hoewel resonantie meestal wordt gebruikt om naar geluidsgolven te verwijzen, is mechanische resonantie in sommige opzichten gemakkelijker te begrijpen. Een eenvoudig voorbeeld is een kind dat voor het eerst leert op een schommel te pompen. De oscillerende beweging van de schommel heeft een natuurlijke frequentie, en wanneer het kind leert duwen (d.w.z. oefen een periodieke kracht uit) op de natuurlijke frequentie van de zwaai, hun duwen wordt veel meer effectief. Als gevolg hiervan neemt de trillingsamplitude van de schommel toe en gaat de persoon die erop zit steeds hoger.
Het raken van de natuurlijke frequentie van een object is echter niet altijd een goede zaak. Als soldaten bijvoorbeeld unisono over een touwbrug marcheren, kan het uit de hand lopen en mogelijk zelfs instorten als ze op zijn natuurlijke frequentie stappen. In dergelijke gevallen kan de generaal hen vragen om "stap te breken", zodat ze geen periodieke kracht uitoefenen op de natuurlijke frequentie van de brug.
Nog stabielere brugontwerpen hebben resonantiefrequenties, maar dit veroorzaakt alleen een probleem in zeldzame gevallen (zoals bij de Broughton Suspension Bridge, een brug in Engeland die in 1831 instortte, vermoedelijk als gevolg van soldaten die in de pas over de brug).
Analoge klokken zijn ook afhankelijk van mechanische resonantie en de natuurlijke frequentie van een component om de tijd bij te houden. Zo gebruiken slingerklokken de natuurlijke frequentie van de slingerbeweging om de tijd bij te houden, en een handwiel werkt volgens hetzelfde basisprincipe. Zelfs kwartskristalklokken zijn afhankelijk van de resonantiefrequentie, maar in dit geval regelt het kristal de oscillatie van een elektronische oscillator, wat resulteert in enorme verbeteringen in nauwkeurigheid vergeleken met eenvoudiger simple ontwerpen.
Andere voorbeelden van resonantie
Er zijn ook veel andere vormen van resonantie, en ze werken allemaal volgens hetzelfde basisprincipe. Twee andere voorbeelden van resonantie die u kent, hebben te maken met elektromagnetische oscillaties in plaats van mechanische. De eerste is je magnetron.
De golven die door de magnetron worden geproduceerd, produceren warmte in uw voedsel omdat hun frequentie overeenkomt met de resonantiefrequentie van de moleculen in het voedsel (bijvoorbeeld water- en vetmoleculen), waardoor ze gaan wiebelen en vervolgens energie afgeven in de vorm van warmte.
Een ander voorbeeld is de antenne voor je tv of zelfs een radioantenne. Deze apparaten zijn ontworpen om de absorptie van elektromagnetische straling te maximaliseren, en wanneer u de antenne "afstemt" op een specifieke frequentie, past u de resonantiefrequentie voor het apparaat aan. Wanneer de frequentie van de antenne overeenkomt met de frequentie van het inkomende signaal, resoneert deze en uw tv of radio "pikt" het signaal op.
Dus hoe breekt het kristal?
Nu je de belangrijkste punten begrijpt over de definitie van resonantie en wat een resonantiefrequentie is, je kunt het klassieke voorbeeld begrijpen van een zanger die erin slaagt een kristalglas te breken door rechts te zingen toonhoogte. Het glas heeft een resonantiefrequentie en als de zanger een geluid produceert met een bijpassende frequentie, begint het glas te trillen. Dit heet een sympathieke vibratie want voordat de zanger een geluid maakte, was het glas helemaal stil.
In het begin kan er een kleine trilling in het glas zijn, maar om het te laten versplinteren, is een aanhoudende en luide noot op de juiste frequentie nodig. Als de zanger dit kan, neemt de trillingsamplitude van het glas toe en begint uiteindelijk de structurele integriteit van het glas in gevaar te brengen. Het is pas op dit punt - wanneer de noot lang genoeg is volgehouden om de trillingen van het glas de maximale amplitude te laten bereiken die het kan ondersteunen - wanneer het glas echt zal breken.