Toată lumea cunoaște vechiul trop în care un cântăreț de operă puternic lovește nota potrivită și un pahar de cristal se sparge de zgomot, dar este cu adevărat posibil? Situația ar putea părea exagerată, ca ceva ce ar fi mult mai probabil să vedeți în filme sau desene animate decât în viața reală.
De fapt, fenomenul de rezonanţă înseamnă că este posibil din punct de vedere tehnic în viața reală, indiferent dacă frecvența de rezonanță (cea care se potrivește cu frecvența naturală a sticlei) este produsă de vocea cuiva sau de unul sau mai multe muzicale instrumente.
Aflați mai multe despre rezonanță vă oferă o înțelegere a modului în care funcționează sunetul, principiile care stau la baza multora instrumente muzicale și cum să crească sau să micșoreze mișcarea într-un sistem mecanic, cum ar fi un set de leagăn sau o coardă pod.
Definiția Resonance
Cuvantul rezonanţă provine inițial din latină rezonanță, care înseamnă „ecou” și este strâns legat de răsunet, ceea ce înseamnă să returnați un ecou sau „sunet din nou”. Aceste două definiții se referă deja la undele sonore și vă oferă o imagine de bază a semnificației cuvântului în fizică de asemenea.
Cu toate acestea, mai precis, definiția rezonanței în fizică este atunci când frecvența unei oscilații sau vibrații externe se potrivește cu un obiect (sau cu cavitatea) frecventa naturalași, ca urmare, fie îl determină să vibreze, fie își mărește amplitudinea oscilației.
În sistemele mecanice, rezonanța se referă la amplificarea, întărirea sau prelungirea sunetului sau a altor vibrații. La fel ca în definiția de mai sus, acest lucru necesită o forță periodică externă pentru a fi aplicată la o frecvență egală cu frecvența naturală a mișcării pentru obiect, care este uneori numită rezonantă frecvență.
Toate obiectele au o frecvență naturală sau o frecvență rezonantă, pe care o puteți considera că este frecvența pe care obiectul „îi place” să vibreze. De exemplu, dacă atingeți un pahar de cristal cu unghia, acesta va începe să vibreze la frecvența sa rezonantă și va produce un „ting” cu un ton corespunzător. Frecvența vibrațiilor depinde de proprietățile fizice ale obiectului și puteți prezice acest lucru destul de bine pentru unele lucruri, cum ar fi un șir întins.
Exemple de rezonanță - rezonanță sonoră
Aflarea unor exemple de rezonanță vă va ajuta să înțelegeți diferitele forme de rezonanță pe care le întâlniți în viața de zi cu zi. Cel mai comun și cel mai simplu exemplu sunt undele sonore, deoarece atunci când vibrați corzile vocale în dreapta frecvență (pentru cavitatea gâtului și gurii), puteți produce tonuri de vorbire și tonuri muzicale pe care alte persoane pot auzi.
Vibrația corzilor vocale produce undele sonore, care sunt într-adevăr unde de presiune din aer compuse din alternând secțiuni comprimate (cu o densitate mai mare decât media) și rarefacții (cu o densitate mai mică decât media densitate).
Majoritatea instrumentelor muzicale funcționează în același mod. De exemplu, într-un instrument de alamă, vibrația buzelor jucătorului împotriva muștiucului creează vibrația inițială și atunci când aceasta se potrivește cu rezonanta frecvența (sau un multiplu al acesteia) pentru dimensiunea conductei în care suflă, există rezonanță, iar amplitudinea oscilației crește notabil și produce o ton sonor.
În instrumentele de suflat din lemn, există o „trestie” care vibrează pe măsură ce aerul este trecut peste ea și, din nou, același proces de rezonanță și amplificare transformă această mică vibrație într-un ton muzical audibil. Instrumentele cu coarde ca o chitară sunt puțin diferite, dar corzile au o frecvență rezonantă de vibrație și undele sonore produse rezonează în cavitate (de exemplu, în spațiul din corpul unei chitare acustice) pentru a face zgomot mai tare.
Un exemplu mai simplu este atunci când aruncați un instrument sau o farfurie pe pământ. Clangul produs este cauzat de scula sau placa care vibrează la frecvența sa rezonantă. Această modalitate mai simplă de a genera sunet este utilizată de furcile de reglare atent proiectate, care sunt proiectate astfel să producă un ton specific ca frecvență naturală, pe care muzicienii să-și poată regla apoi instrumentele la.
Exemple de rezonanță - rezonanță mecanică
Deși rezonanța este de obicei utilizată pentru a se referi la undele sonore, rezonanța mecanică este în unele privințe mai ușor de înțeles. Un exemplu simplu este un copil care învață să pompeze un leagăn pentru prima dată. Mișcarea oscilatorie a leagănului are o frecvență naturală, iar atunci când copilul învață să împingă (adică aplică o forță periodică) la frecvența naturală a oscilației, împingerea lor devine mult mai mare efectiv. Ca urmare, amplitudinea oscilației oscilației crește și persoana care stă pe ea crește de fiecare dată.
Atingerea frecvenței naturale a unui obiect nu este totuși un lucru bun. De exemplu, soldații care mărșăluiesc peste un pod de frânghie la unison ar putea face ca acesta să vibreze fără control și posibil chiar să se prăbușească dacă pășesc la frecvența sa naturală. În astfel de cazuri, generalul le-ar putea cere să „rupă pasul”, astfel încât să nu aplice o forță periodică la frecvența naturală a podului.
Chiar și modelele de poduri mai stabile au frecvențe rezonante, dar acest lucru cauzează doar o problemă în cauze rare (cum ar fi cu Podul suspendat Broughton, un pod din Anglia care s-a prăbușit în 1831, presupus din cauza soldaților care mărșăluiau în pas pod).
Ceasurile analogice depind, de asemenea, de rezonanța mecanică și de frecvența naturală a unei componente pentru a păstra timpul. De exemplu, ceasurile cu pendul utilizează frecvența naturală a oscilării pendulului pentru a menține timpul, iar o roată de echilibru funcționează pe același principiu de bază. Chiar și ceasurile cu cristal de cuarț depind de frecvența de rezonanță, dar în acest caz cristalul reglează oscilator de la un oscilator electronic, rezultând îmbunătățiri uriașe ale preciziei în comparație cu cele mai simple modele.
Alte exemple de rezonanță
Există și multe alte forme de rezonanță și toate funcționează pe același principiu de bază. Alte două exemple de rezonanță cu care vă veți familiariza au legătură cu oscilațiile electromagnetice, mai degrabă decât cu cele mecanice. Primul este cuptorul cu microunde.
Undele produse de cuptorul cu microunde produc căldură în alimentele dvs., deoarece frecvența lor se potrivește cu frecvența de rezonanță a molecule din interiorul alimentelor (de exemplu, molecule de apă și grăsimi), care le determină să se clatine și apoi să elibereze energie sub formă de căldură.
Un alt exemplu este antena pentru televizorul dvs. sau chiar o antenă radio. Aceste dispozitive sunt concepute pentru a maximiza absorbția radiației electromagnetice și, atunci când „reglați” antena la o anumită frecvență, ajustați frecvența de rezonanță pentru dispozitiv. Când frecvența antenei se potrivește cu frecvența semnalului primit, acesta rezonează și televizorul sau radioul dvs. „preia” semnalul.
Deci, cum se sparge cristalul?
Acum că înțelegeți punctele cheie despre definiția rezonanței și ce este o frecvență de rezonanță, poți înțelege exemplul clasic al unui cântăreț care reușește să spargă un pahar de cristal cântând în dreapta pas. Paharul are o frecvență rezonantă și, dacă cântărețul produce un sunet cu o frecvență potrivită, paharul va începe să vibreze. Aceasta se numește a vibrație simpatică pentru că înainte ca cântăreața să facă un zgomot, paharul era complet nemișcat.
La început, poate exista o mică vibrație în sticlă, dar, de fapt, pentru a o sparge necesită o notă susținută și puternică la frecvența potrivită. Dacă cântărețul poate face acest lucru, amplitudinea oscilației sticlei crește și în cele din urmă începe să compromită integritatea structurală a sticlei. Abia în acest moment - când nota a fost susținută suficient de mult timp pentru ca vibrația sticlei să atingă amplitudinea maximă pe care o poate susține - atunci când sticla se va sparge efectiv.