Всем известен старый образ, когда мощный оперный певец берет нужную ноту, и хрустальное стекло разбивается от шума, но возможно ли это на самом деле? Ситуация может показаться надуманной, как что-то, что вы с большей вероятностью увидите в фильмах или мультфильмах, чем в реальной жизни.
Фактически, феномен резонанс означает, что в реальной жизни технически возможно, будет ли резонансная частота (та, которая соответствует собственная частота стекла) создается чьим-то голосом или одним или несколькими музыкальными инструменты.
Узнав больше о резонансе, вы поймете, как работает звук, и принципы, лежащие в основе многих музыкальные инструменты и как увеличить или уменьшить движение в механической системе, такой как качели или веревка мост.
Определение резонанса
Слово резонанс изначально происходит от латинского резонанс, что означает «эхо», и это тесно связано с резонансом, что означает возврат эха или «звук снова». Эти два определения уже относятся к звуковым волнам и дают вам общее представление о значении этого слова в физике тоже.
Однако, более конкретно, определение резонанса в физике - это когда частота внешнего колебания или вибрации совпадает с частотой объекта (или полости). собственная частота, и в результате либо заставляет его вибрировать, либо увеличивает амплитуду колебаний.
В механических системах под резонансом понимается усиление, усиление или продление звука или других вибраций. Как и в приведенном выше определении, это требует приложения внешней периодической силы с частотой равной собственной частоте движения объекта, которую иногда называют резонансной. частота.
Все объекты имеют собственную частоту или резонансную частоту, которую вы можете представить как частоту, на которой объект «любит» вибрировать. Например, если вы постучите ногтем по хрустальному стеклу, он начнет вибрировать на своей резонансной частоте и будет издавать «звон» с соответствующей высотой звука. Частота вибрации зависит от физических свойств объекта, и вы можете довольно хорошо предсказать это для некоторых вещей, таких как натянутая струна.
Примеры резонанса - Звуковой резонанс
Изучение некоторых примеров резонанса поможет вам понять различные формы резонанса, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни. Самый распространенный и простой пример - звуковые волны, потому что когда вы вибрируете, ваши голосовые связки справа частоты (для полости вашего горла и рта), вы можете воспроизводить речевые и музыкальные тоны, которые другие люди могу слышать.
Вибрация голосовых связок создает звуковые волны, которые на самом деле представляют собой волны давления в воздухе, состоящие из чередование сжатых участков (с плотностью выше средней) и разрежения (с плотностью ниже средней) плотность).
Большинство музыкальных инструментов работают одинаково. Например, в медном инструменте вибрация губ музыканта относительно мундштука создает первоначальную вибрацию, и когда она соответствует резонансной частота (или кратная ей) для размера трубы, в которую он или она вдувается, возникает резонанс, а амплитуда колебаний заметно увеличивается и производит слышимый тон.
В деревянных духовых инструментах есть «трость», которая вибрирует при прохождении через нее воздуха, и снова тот же самый процесс резонанса и усиления превращает эту небольшую вибрацию в слышимый музыкальный тон. Струнные инструменты, такие как гитара, немного отличаются, но струны имеют резонансную частоту вибрации, и создаваемые звуковые волны резонируют в полости (например, в пространстве в корпусе акустической гитары), создавая шум громче.
Более простой пример - это когда вы роняете инструмент или тарелку на землю. Звук возникает из-за того, что инструмент или пластина вибрируют на своей резонансной частоте. Этот более простой способ создания звука используется тщательно разработанными камертонами, которые сконструированы таким образом, чтобы для создания определенной высоты звука в качестве собственной частоты, которую музыканты могут затем настроить на своих инструментах к.
Примеры резонанса - механический резонанс
Хотя резонанс обычно используется для обозначения звуковых волн, механический резонанс в некотором смысле легче понять. Простой пример - ребенок впервые учится качать качели. Колебательное движение качелей имеет собственную частоту, и когда ребенок учится толкаться (т. е. приложить периодическую силу) на собственной частоте качания, их толчок становится намного сильнее эффективный. В результате этого амплитуда колебаний качелей увеличивается, и человек, сидящий на них, с каждым разом становится все выше.
Однако соблюдение собственной частоты объекта - не всегда хорошо. Например, солдаты, идущие по веревочному мосту в унисон, могут заставить его выйти из-под контроля и, возможно, даже упасть, если они наступят на его собственную частоту. В подобных случаях генерал может попросить их «сломать ступеньку», чтобы они не применяли периодическую силу с собственной частотой моста.
Даже более стабильные конструкции мостов имеют резонансные частоты, но это вызывает проблемы только в редких случаях (например, с Бротонский подвесной мост, мост в Англии, обрушившийся в 1831 году, предположительно из-за солдат, идущих в ногу через реку. мост).
Аналоговые часы также зависят от механического резонанса и собственной частоты компонента, чтобы отсчитывать время. Например, маятниковые часы используют собственную частоту колебаний маятника, чтобы отсчитывать время, а балансовое колесо работает по тому же основному принципу. Даже часы из кварцевого кристалла зависят от резонансной частоты, но в этом случае кристалл регулирует колебания от электронного генератора, что приводит к значительному повышению точности по сравнению с более простым конструкции.
Другие примеры резонанса
Есть много других форм резонанса, и все они работают по одному и тому же основному принципу. Два других примера резонанса, с которыми вы будете знакомы, связаны с электромагнитными колебаниями, а не с механическими. Во-первых, ваша микроволновая печь.
Волны, создаваемые микроволновой печью, выделяют тепло в вашей пище, потому что их частота совпадает с резонансной частотой молекулы внутри пищи (например, молекулы воды и жира), что заставляет их колебаться и впоследствии выделять энергию в форме тепла.
Другой пример - антенна для вашего телевизора или даже радиоантенна. Эти устройства предназначены для максимального поглощения электромагнитного излучения, и когда вы «настраиваете» антенну на определенную частоту, вы регулируете резонансную частоту устройства. Когда частота антенны совпадает с частотой входящего сигнала, она резонирует, и ваш телевизор или радио «улавливает» сигнал.
Так как же разбивается кристалл?
Теперь, когда вы понимаете ключевые моменты определения резонанса и того, что такое резонансная частота, вы можете понять классический пример певца, которому удалось разбить хрустальный бокал, спев справа подача. Стекло имеет резонансную частоту, и если певец издает звук с совпадающей частотой, стакан начинает вибрировать. Это называется симпатическая вибрация потому что до того, как певец начал издавать звук, стекло было совершенно неподвижным.
Сначала в стекле может быть небольшая вибрация, но для того, чтобы заставить его разбиться, требуется длительная и громкая нота нужной частоты. Если певец может это сделать, амплитуда колебаний стекла увеличивается и в конечном итоге начинает нарушать структурную целостность стекла. Только в этот момент - когда нота выдерживается достаточно долго, чтобы вибрация стекла достигла максимальной амплитуды, которую оно может выдерживать, - стекло действительно разбивается.