Resonans: definisjon, typer, frekvens og eksempler

Alle kjenner den gamle tropen hvor en kraftverkesanger treffer riktig tone og et krystallglass knuses av støyen, men er det virkelig mulig? Situasjonen kan virke fargelagt, som noe du vil være mye mer sannsynlig å se i filmer eller tegneserier enn i virkeligheten.

Faktisk er fenomenet resonans betyr at det er teknisk mulig i det virkelige liv, enten resonansfrekvensen (den som samsvarer den naturlige frekvensen av glasset) er produsert av en persons stemme eller av en eller flere musikaler instrumenter.

Å lære mer om resonans gir deg en forståelse av hvordan lyd fungerer, prinsippene som ligger til grunn for mange musikkinstrumenter og hvordan du kan øke eller redusere bevegelse i et mekanisk system som et svingesett eller et tau bro.

Ordet resonans kommer opprinnelig fra latin resonantia, som betyr "ekko", og det er nært knyttet til runget, som betyr å returnere et ekko eller "lyd igjen." Disse to definisjoner er allerede knyttet til lydbølger og gir deg et grunnleggende bilde av betydningen av ordet i fysikk også.

Mer spesifikt er imidlertid definisjonen av resonans i fysikk når frekvensen til en ekstern svingning eller vibrasjon samsvarer med et objekt (eller hulrom) naturlig frekvens, og som et resultat får den enten til å vibrere eller øker sin svingningsamplitude.

I mekaniske systemer refererer resonans til forsterkning, forsterkning eller forlengelse av lyd eller andre vibrasjoner. Akkurat som i definisjonen ovenfor, krever dette at en ekstern periodisk kraft påføres med en frekvens lik den naturlige bevegelsesfrekvensen for objektet, som noen ganger kalles resonans Frekvens.

Alle objekter har en naturlig frekvens eller en resonansfrekvens, som du kan tenke på som frekvensen objektet "liker" å vibrere på. Hvis du for eksempel banker på et krystallglass med en fingernegl, vil det begynne å vibrere med sin resonansfrekvens og vil gi en "ting" med en tilsvarende tonehøyde. Frekvensen av vibrasjon avhenger av objektets fysiske egenskaper, og du kan forutsi dette ganske bra for noen ting som en stram streng.

Å lære om noen eksempler på resonans vil hjelpe deg med å forstå de forskjellige former for resonans du møter i ditt daglige liv. Det vanligste og enkleste eksemplet er lydbølger, for når du vibrerer stemmebåndene dine til høyre frekvens (for hulrommet i halsen og munnen), kan du produsere taletoner og musikalske toner som andre mennesker kan høre.

Vibrasjonen fra stemmebåndene produserer lydbølgene, som egentlig er trykkbølger i luften sammensatt av alternerende komprimerte seksjoner (med større tetthet enn gjennomsnittet) og sjeldne forhold (med mindre enn gjennomsnittet) tetthet).

De fleste musikkinstrumenter fungerer på samme måte. For eksempel, i et messinginstrument, skaper vibrasjonen av spillerens lepper mot munnstykket den første vibrasjonen, og når dette samsvarer med resonansen frekvens (eller et multiplum av det) for størrelsen på røret han eller hun blåser inn i, er det resonans, og svingningsamplituden øker spesielt og gir en hørbar tone.

I treblåsinstrumenter er det et "siv" som vibrerer når luft passerer over det, og igjen gjør den samme prosessen med resonans og forsterkning denne lille vibrasjonen til en hørbar musikalsk tone. Strengeinstrumenter som en gitar er litt forskjellige, men strengene har en resonansfrekvens av vibrasjoner, og produserte lydbølger resonerer i hulrommet (f.eks. i rommet i kroppen til en akustisk gitar) for å lage lyden høyere.

Et enklere eksempel er når du slipper et verktøy eller en plate på bakken. Klingen som produseres er forårsaket av at verktøyet eller platen vibrerer ved sin resonansfrekvens. Denne enklere måten å generere lyd på, brukes av nøye utformede innstillingsgafler, som er utformet slik som for å produsere en bestemt tonehøyde som sin naturlige frekvens, hvilke musikere kan deretter stille inn instrumentene sine til.

Selv om resonans vanligvis brukes til å referere til lydbølger, er mekanisk resonans på noen måter lettere å forstå. Et enkelt eksempel er et barn som lærer å pumpe en sving for første gang. Den svingende bevegelsen til svingen har en naturlig frekvens, og når barnet lærer å presse (dvs. bruke en periodisk kraft) ved svingens naturlige frekvens, blir deres skyving mye mer effektiv. Som et resultat av dette øker svingningsamplituden til svingen, og personen som sitter på den, går høyere hver gang.

Å treffe den naturlige frekvensen til et objekt er imidlertid ikke alltid en god ting. For eksempel kan soldater som marsjerer over en taubro i fellesskap føre til at den vibrerer utenfor kontrollen og muligens til og med kollapser hvis de går på sin naturlige frekvens. I tilfeller som dette kan generalen be dem om å "bryte trinn" slik at de ikke bruker en periodisk kraft på broens naturlige frekvens.

Enda mer stabile brodesign har resonansfrekvenser, men dette forårsaker bare et problem i sjeldne årsaker (for eksempel med Broughton Suspension Bridge, en bro i England som kollapset i 1831, angivelig på grunn av at soldater marsjerte i takt over bro).

Analoge klokker er også avhengig av mekanisk resonans og den naturlige frekvensen til en komponent for å holde tiden. For eksempel bruker pendelklokker den naturlige frekvensen til pendulens sving for å holde tiden, og et balanseringshjul fungerer på det samme grunnleggende prinsippet. Selv kvartskrystallklokker avhenger av resonansfrekvensen, men i dette tilfellet regulerer krystallet svingning fra en elektronisk oscillator, noe som resulterer i enorme forbedringer i nøyaktighet sammenlignet med enklere design.

Det er mange andre former for resonans også, og alle arbeider på det samme grunnleggende prinsippet. To andre eksempler på resonans du vil være kjent med har å gjøre med elektromagnetiske svingninger i stedet for mekaniske. Den første er mikrobølgeovnen din.

Bølgene som produseres av mikrobølgeovnen produserer varme i maten din fordi frekvensen samsvarer med resonansfrekvensen molekyler i maten (f.eks. vann- og fettmolekyler), som får dem til å vakle og deretter frigjøre energi i form av varme.

Et annet eksempel er antennen til TV-en din eller til og med en radioantenne. Disse enhetene er designet for å maksimere absorpsjonen av elektromagnetisk stråling, og når du "stiller" antennen til en bestemt frekvens, justerer du resonansfrekvensen for enheten. Når antennens frekvens stemmer overens med frekvensen til det innkommende signalet, resonerer den og TVen eller radioen din "henter" signalet.

Nå som du forstår nøkkelpunktene om definisjonen av resonans og hva en resonansfrekvens er, du kan forstå det klassiske eksemplet på at en sanger klarer å knuse et krystallglass ved å synge til høyre tonehøyde. Glasset har en resonansfrekvens, og hvis sangeren produserer en lyd med en passende frekvens, vil glasset begynne å vibrere. Dette kalles a sympatisk vibrasjon fordi før sangeren bråket, var glasset helt stille.

I begynnelsen kan det være en liten vibrasjon i glasset, men å få det til å knuse krever faktisk en vedvarende og høyt notat med riktig frekvens. Hvis sangeren kan gjøre dette, øker amplituden til glassets svingning og begynner til slutt å kompromittere glassets strukturelle integritet. Det er bare på dette punktet - når noten har blitt opprettholdt lenge nok til at glassets vibrasjon når maksimal amplitude den kan støtte - når glasset faktisk vil knekke.