Ressonância: Definição, Tipos, Frequência e Exemplos

Todo mundo conhece a velha tropa em que um cantor de ópera poderoso atinge a nota certa e um cristal se estilhaça com o barulho, mas será mesmo possível? A situação pode parecer rebuscada, como algo que você provavelmente veria em filmes ou desenhos animados do que na vida real.

Na verdade, o fenômeno de ressonância significa que é tecnicamente possível na vida real, seja a frequência de ressonância (aquela que corresponde a frequência natural do vidro) é produzida pela voz de alguém ou por um ou mais musicais instrumentos.

Aprender mais sobre ressonância dá a você uma compreensão de como o som funciona, os princípios que sustentam muitos instrumentos musicais e como aumentar ou diminuir o movimento em um sistema mecânico como um balanço ou uma corda Ponte.

A palavra ressonância vem originalmente do latim ressonância, que significa "eco" e está intimamente relacionado ao ressonar, o que significa retornar um eco ou "som novamente". Esses duas definições já se relacionam com ondas sonoras e fornecem uma imagem básica do significado da palavra em física também.

No entanto, mais especificamente, a definição de ressonância na física é quando a frequência de uma oscilação ou vibração externa corresponde a um objeto (ou cavidade) frequência naturale, como resultado, faz com que vibre ou aumenta sua amplitude de oscilação.

Em sistemas mecânicos, a ressonância se refere à amplificação, reforço ou prolongamento do som ou outras vibrações. Assim como na definição acima, isso requer uma força periódica externa a ser aplicada em uma frequência igual à frequência natural de movimento do objeto, que às vezes é chamada de ressonante frequência.

Todos os objetos têm uma frequência natural ou frequência ressonante, que você pode considerar como a frequência com que o objeto “gosta” de vibrar. Por exemplo, se você bater em um vidro de cristal com a unha, ele começará a vibrar em sua frequência de ressonância e produzirá um “ting” com um tom correspondente. A frequência da vibração depende das propriedades físicas do objeto, e você pode prever isso muito bem para algumas coisas como uma corda esticada.

Aprender alguns exemplos de ressonância o ajudará a entender as várias formas de ressonância que você encontra em sua vida cotidiana. O exemplo mais comum e simples são as ondas sonoras, porque quando você vibra as cordas vocais à direita frequência (para a cavidade de sua garganta e boca), você pode produzir tons de fala e tons musicais que outras pessoas pode ouvir.

A vibração de suas cordas vocais produz as ondas sonoras, que são na verdade ondas de pressão no ar compostas por seções alternadas comprimidas (com uma densidade maior que a média) e rarefações (com uma densidade menor que a média densidade).

A maioria dos instrumentos musicais funciona da mesma maneira. Por exemplo, em um instrumento de sopro, a vibração dos lábios do músico contra o bocal cria a vibração inicial, e quando esta corresponde ao ressonante frequência (ou um múltiplo dela) para o tamanho do tubo em que ele sopra, há ressonância e a amplitude da oscilação aumenta notavelmente e produz um tom audível.

Nos instrumentos de sopro, existe uma “palheta” que vibra quando o ar passa sobre ela e, novamente, o mesmo processo de ressonância e amplificação transforma essa pequena vibração em um tom musical audível. Instrumentos de cordas, como um violão, são um pouco diferentes, mas as cordas têm uma frequência de vibração ressonante, e o ondas sonoras produzidas ressoam na cavidade (por exemplo, no espaço no corpo de um violão) para fazer o barulho mais alto.

Um exemplo mais simples é quando você deixa cair uma ferramenta ou prato no chão. O barulho produzido é causado pela vibração da ferramenta ou placa em sua frequência de ressonância. Esta maneira mais simples de gerar som é usada por diapasões cuidadosamente projetados, que são projetados para para produzir um tom específico como sua frequência natural, que os músicos podem então afinar seus instrumentos para.

Embora a ressonância seja geralmente usada para se referir a ondas sonoras, a ressonância mecânica é, de certa forma, mais fácil de entender. Um exemplo simples é uma criança aprendendo a fazer um balanço pela primeira vez. O movimento oscilatório do balanço tem uma frequência natural, e quando a criança aprende a empurrar (ou seja, aplique uma força periódica) na frequência natural do balanço, seu empurrão se torna muito mais eficaz. Como resultado disso, a amplitude de oscilação do balanço aumenta e a pessoa sentada nele aumenta cada vez mais.

No entanto, atingir a frequência natural de um objeto nem sempre é uma coisa boa. Por exemplo, soldados marchando em uma ponte de corda em uníssono podem fazer com que ela vibre fora de controle e possivelmente até desmorone se pisarem em sua frequência natural. Em casos como este, o general pode pedir-lhes para "quebrar o degrau" para que não apliquem uma força periódica na frequência natural da ponte.

Projetos de ponte ainda mais estáveis ​​têm frequências ressonantes, mas isso só causa um problema em causas raras (como com o Broughton Suspension Bridge, uma ponte na Inglaterra que desabou em 1831, supostamente devido a soldados marchando no passo Ponte).

Os relógios analógicos também dependem da ressonância mecânica e da frequência natural de um componente para manter o tempo. Por exemplo, relógios de pêndulo usam a frequência natural da oscilação do pêndulo para manter o tempo, e uma roda de balanço funciona com o mesmo princípio básico. Mesmo os relógios de cristal de quartzo dependem da frequência de ressonância, mas, neste caso, o cristal regula o oscilação de um oscilador eletrônico, resultando em grandes melhorias na precisão em comparação com o mais simples designs.

Existem muitas outras formas de ressonância também, e todas elas funcionam com o mesmo princípio básico. Dois outros exemplos de ressonância com os quais você estará familiarizado têm a ver com oscilações eletromagnéticas em vez de mecânicas. O primeiro é o seu microondas.

As ondas produzidas pelo microondas produzem calor em sua comida porque sua frequência corresponde à frequência de ressonância do moléculas dentro do alimento (por exemplo, moléculas de água e gordura), o que faz com que eles balancem e, posteriormente, liberem energia na forma de calor.

Outro exemplo é a antena de sua TV ou mesmo uma antena de rádio. Esses dispositivos são projetados para maximizar a absorção de radiação eletromagnética e, quando você "sintoniza" a antena em uma frequência específica, está ajustando a frequência de ressonância para o dispositivo. Quando a frequência da antena corresponde à frequência do sinal de entrada, ela ressoa e sua TV ou rádio “capta” o sinal.

Agora que você entende os pontos-chave sobre a definição de ressonância e o que é uma frequência de ressonância, você pode entender o exemplo clássico de um cantor que consegue quebrar um copo de cristal cantando à direita tom. O vidro tem uma frequência ressonante e, se o cantor produzir um som com uma frequência correspondente, o vidro começará a vibrar. Isso é chamado de vibração simpática porque antes de o cantor fazer barulho, o vidro estava completamente parado.

No início, pode haver uma pequena vibração no vidro, mas fazê-lo estilhaçar requer uma nota sustentada e alta na frequência certa. Se o cantor conseguir fazer isso, a amplitude de oscilação do vidro aumenta e, eventualmente, começa a comprometer a integridade estrutural do vidro. É apenas neste ponto - quando a nota foi sustentada por tempo suficiente para a vibração do vidro atingir a amplitude máxima que ele pode suportar - quando o vidro realmente quebrará.