Każdy zna stary trop, w którym potężny śpiewak operowy uderza we właściwą nutę, a kryształowe szkło pęka od hałasu, ale czy to naprawdę możliwe? Sytuacja może wydawać się naciągana, jak coś, co znacznie częściej można zobaczyć w filmach lub kreskówkach niż w prawdziwym życiu.
W rzeczywistości zjawisko rezonans oznacza, że jest to technicznie możliwe w prawdziwym życiu, niezależnie od częstotliwości rezonansowej (tej, która pasuje naturalna częstotliwość szkła) jest wytwarzana przez czyjś głos lub przez jeden lub wiele musicali instrumenty.
Dowiedz się więcej o rezonansie, aby zrozumieć, jak działa dźwięk, czyli zasady, na których opiera się wiele instrumenty muzyczne i jak zwiększyć lub zmniejszyć ruch w systemie mechanicznym, takim jak huśtawka lub lina most.
Definicja rezonansu
Słowo rezonans pierwotnie pochodzi z łaciny rezonans, co oznacza „echo” i jest ściśle związane z dźwiękiem, co oznacza powrót echa lub „dźwięk ponownie”. Te dwie definicje już odnoszą się do fal dźwiękowych i dają podstawowy obraz znaczenia słowa w fizyce także.
Jednak dokładniej, definicja rezonansu w fizyce brzmi, gdy częstotliwość zewnętrznych oscylacji lub wibracji pasuje do obiektu (lub wnęki) naturalna frekwencja, w wyniku czego albo wprawia go w drgania, albo zwiększa amplitudę drgań.
W układach mechanicznych rezonans odnosi się do wzmocnienia, wzmocnienia lub przedłużenia dźwięku lub innych wibracji. Podobnie jak w powyższej definicji, wymaga to przyłożenia zewnętrznej siły okresowej z częstotliwością równa naturalnej częstotliwości ruchu obiektu, która jest czasami nazywana rezonansem częstotliwość.
Wszystkie obiekty mają naturalną częstotliwość lub częstotliwość rezonansową, którą można sobie wyobrazić jako częstotliwość, z jaką obiekt „lubi” wibrować. Na przykład, jeśli stukniesz paznokciem w kryształowe szkło, zacznie ono wibrować z częstotliwością rezonansową i wytworzy „dźwięk” o odpowiedniej wysokości. Częstotliwość wibracji zależy od fizycznych właściwości obiektu i można to całkiem dobrze przewidzieć w przypadku niektórych rzeczy, takich jak napięta struna.
Przykłady rezonansu – rezonans dźwięku
Poznanie kilku przykładów rezonansu pomoże ci zrozumieć różne formy rezonansu, z jakimi spotykasz się na co dzień. Najczęstszym i najprostszym przykładem są fale dźwiękowe, ponieważ kiedy wibrujesz struny głosowe po prawej stronie częstotliwości (w jamie gardłowej i ustach), możesz wytwarzać dźwięki mowy i dźwięki muzyczne, które inni ludzie słyszeć.
Wibracje twoich strun głosowych wytwarzają fale dźwiękowe, które w rzeczywistości są falami ciśnienia w powietrzu, z których składają się naprzemiennie sprasowane sekcje (o większej niż przeciętna gęstości) i rozrzedzenia (o mniejszej niż przeciętna) gęstość).
Większość instrumentów muzycznych działa w ten sam sposób. Na przykład w instrumencie dętym blaszanym, wibracja ust gracza na ustniku tworzy wibrację początkową, a kiedy ta dopasowuje się do rezonansu częstotliwość (lub jej wielokrotność) dla rozmiaru rury, w którą dmucha, występuje rezonans, a amplituda oscylacji wyraźnie wzrasta i wytwarza słyszalny dźwięk.
W instrumentach dętych drewnianych jest „stroik”, który wibruje, gdy przepuszcza się po nim powietrze, i ponownie ten sam proces rezonansu i wzmocnienia zamienia tę małą wibrację w słyszalny dźwięk muzyczny. Instrumenty strunowe, takie jak gitara, są nieco inne, ale struny mają rezonansową częstotliwość wibracji, a wytwarzane fale dźwiękowe rezonują we wnęce (np. w przestrzeni w korpusie gitary akustycznej) powodując hałas głośniejszy.
Prostszym przykładem jest upuszczenie narzędzia lub talerza na ziemię. Wytwarzany klang jest powodowany przez narzędzie lub płytę wibrującą z częstotliwością rezonansową. Ten prostszy sposób generowania dźwięku jest wykorzystywany przez starannie zaprojektowane kamertony, które są zaprojektowane tak, aby aby wytworzyć określoną tonację jako swoją naturalną częstotliwość, którą muzycy mogą następnie nastroić swoje instrumenty do.
Przykłady rezonansu – rezonans mechaniczny
Chociaż rezonans jest zwykle używany w odniesieniu do fal dźwiękowych, rezonans mechaniczny jest pod pewnymi względami łatwiejszy do zrozumienia. Prostym przykładem jest dziecko, które po raz pierwszy uczy się pompować huśtawkę. Ruch oscylacyjny huśtawki ma naturalną częstotliwość, a gdy dziecko nauczy się pchać (tj. przyłożyć siłę okresową) przy naturalnej częstotliwości huśtawki, ich pchanie staje się znacznie większe efektywny. W wyniku tego amplituda oscylacji huśtawki wzrasta, a osoba na niej siedząca za każdym razem podnosi się.
Jednak uderzenie w naturalną częstotliwość obiektu nie zawsze jest dobrą rzeczą. Na przykład żołnierze maszerujący zgodnie z mostem linowym mogą spowodować, że wibruje on poza kontrolą, a nawet załamie się, jeśli staną z jego naturalną częstotliwością. W takich przypadkach generał może poprosić ich o „złamanie kroku”, aby nie przykładali siły okresowej przy naturalnej częstotliwości mostu.
Jeszcze bardziej stabilne konstrukcje mostków mają częstotliwości rezonansowe, ale powoduje to problem tylko w rzadkich przypadkach (takich jak Broughton Suspension Bridge, most w Anglii, który zawalił się w 1831 r., prawdopodobnie z powodu marszu żołnierzy most).
Zegary analogowe zależą również od rezonansu mechanicznego i naturalnej częstotliwości komponentu, aby zachować czas. Na przykład zegary wahadłowe wykorzystują częstotliwość drgań własnych wahadła do utrzymywania czasu, a koło balansowe działa na tej samej podstawowej zasadzie. Nawet zegary kwarcowe zależą od częstotliwości rezonansowej, ale w tym przypadku kryształ reguluje oscylacja z oscylatora elektronicznego, co skutkuje ogromną poprawą dokładności w porównaniu do prostszego projekty.
Inne przykłady rezonansu
Istnieje również wiele innych form rezonansu i wszystkie działają na tej samej podstawowej zasadzie. Dwa inne przykłady rezonansu, które znasz, dotyczą raczej oscylacji elektromagnetycznych niż mechanicznych. Pierwsza to twoja kuchenka mikrofalowa.
Fale wytwarzane przez mikrofale wytwarzają ciepło w żywności, ponieważ ich częstotliwość odpowiada częstotliwości rezonansowej cząsteczki wewnątrz pożywienia (np. cząsteczki wody i tłuszczu), co powoduje ich chybotanie, a następnie uwalnianie energii w postaci ciepła.
Innym przykładem jest antena do telewizora, a nawet antena radiowa. Urządzenia te są zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować absorpcję promieniowania elektromagnetycznego, a kiedy „dostrajasz” antenę do określonej częstotliwości, dostosowujesz częstotliwość rezonansową urządzenia. Gdy częstotliwość anteny jest zgodna z częstotliwością przychodzącego sygnału, rezonuje, a telewizor lub radio „odbiera” sygnał.
Więc jak pęka kryształ?
Teraz, gdy rozumiesz kluczowe punkty dotyczące definicji rezonansu i częstotliwości rezonansowej, możesz zrozumieć klasyczny przykład piosenkarza, który potrafi rozbić kryształowe szkło, śpiewając po prawej stronie smoła. Szkło ma częstotliwość rezonansową i jeśli wokalista wytworzy dźwięk o pasującej częstotliwości, szkło zacznie wibrować. Nazywa się to sympatyczna wibracja ponieważ zanim wokalista wydał dźwięk, szkło było całkowicie nieruchome.
Na początku w szkle może pojawić się niewielka wibracja, ale faktyczne rozbicie szkła wymaga długotrwałego i głośnego dźwięku o odpowiedniej częstotliwości. Jeśli śpiewak może to zrobić, amplituda oscylacji szkła wzrasta i ostatecznie zaczyna zagrażać integralności strukturalnej szkła. Dopiero w tym momencie – kiedy nuta jest utrzymywana wystarczająco długo, aby wibracje szkła osiągnęły maksymalną amplitudę, jaką może wytrzymać – szkło faktycznie pęknie.