Rezonancia: definícia, typy, frekvencia a príklady

Každý pozná staré trope, kde operný spevák z powerhouse udrie do správnej noty a z hluku sa rozbije krištáľové sklo, ale je to skutočne možné? Situácia sa môže zdať priťahovaná, ako niečo, čo by ste vo filmoch alebo karikatúrach videli oveľa pravdepodobnejšie ako v skutočnom živote.

V skutočnosti je to fenomén rezonancia znamená, že je technicky možné v reálnom živote, či už rezonančná frekvencia (tá, ktorá sa zhoduje prirodzená frekvencia skla) je produkovaný niečím hlasom alebo jedným alebo mnohými muzikálmi nástrojov.

Ak sa dozviete viac o rezonancii, pochopíte, ako funguje zvuk, čo je základom mnohých zásad hudobné nástroje a ako zvýšiť alebo znížiť pohyb v mechanickom systéme, ako je hojdačka alebo lano Most.

Slovo rezonancia pôvodne pochádza z latinčiny rezonancia, čo znamená „ozvena“ a úzko súvisí s zvukom, čo znamená vrátiť ozvenu alebo „zvuk“. Títo dve definície už súvisia so zvukovými vlnami a poskytujú vám základný obraz o význame slova vo fyzike tiež.

Avšak presnejšie, definícia rezonancie vo fyzike je taká, keď sa frekvencia vonkajšej oscilácie alebo vibrácií zhoduje s predmetom (alebo dutinou)

V mechanických systémoch rezonancia označuje zosilnenie, zosilnenie alebo predĺženie zvuku alebo iných vibrácií. Rovnako ako vo vyššie uvedenej definícii, aj tu je potrebné pôsobiť periodickou externou silou rovná sa prirodzenej frekvencii pohybu pre objekt, ktorá sa niekedy nazýva rezonančná frekvencia.

Všetky objekty majú prirodzenú alebo rezonančnú frekvenciu, ktorú si môžete predstaviť ako frekvenciu, na ktorú objekt „rád“ vibruje. Napríklad, ak klepnete na krištáľové sklo nechtom, začne vibrovať na svojej rezonančnej frekvencii a vytvorí „ting“ so zodpovedajúcou výškou tónu. Frekvencia vibrácií závisí od fyzikálnych vlastností objektu. Môžete to celkom dobre predpovedať pre niektoré veci, ako je napnutá struna.

Dozvedieť sa niekoľko príkladov rezonancie vám pomôže pochopiť rôzne formy rezonancie, s ktorými sa stretávate v každodennom živote. Najbežnejším a najjednoduchším príkladom sú zvukové vlny, pretože keď vibrujete hlasivkami vpravo frekvencie (pre dutinu hrdla a úst), môžete vytvárať tóny reči a hudobné tóny, ktoré používajú iní ľudia počujem.

Vibrácie vašich hlasiviek vytvárajú zvukové vlny, ktoré sú skutočne tlakovými vlnami vo vzduchu striedajúce sa komprimované úseky (s nadpriemernou hustotou) a zriedkavé funkcie (s podpriemernou hodnotou) hustota).

Väčšina hudobných nástrojov funguje rovnako. Napríklad v mosadznom nástroji vytvára vibrácia pier hráča proti náustku počiatočnú vibráciu, a keď sa to zhoduje s rezonanciou frekvencia (alebo jej násobok) pre veľkosť potrubia, do ktorého fúka, existuje rezonancia a amplitúda oscilácie sa výrazne zvyšuje a vytvára zvukový tón.

V drevených dychových nástrojoch existuje „tŕstie“, ktoré vibruje pri prechode vzduchu cez ňu, a opäť ten istý proces rezonancie a zosilnenia premení túto malú vibráciu na zvukový hudobný tón. Sláčikové nástroje ako gitara sú trochu iné, ale struny majú rezonančnú frekvenciu vibrácií a produkované zvukové vlny rezonujú v dutine (napr. v priestore v tele akustickej gitary) na vytváranie hluku hlasnejšie.

Jednoduchší príklad je, keď spadnete na zem nástroj alebo tanier. Produkovaný rachot je spôsobený vibráciou nástroja alebo dosky na rezonančnej frekvencii. Tento jednoduchší spôsob generovania zvuku používajú starostlivo navrhnuté ladičky, ktoré sú navrhnuté tak, aby produkovať konkrétne výšky tónu ako svoju prirodzenú frekvenciu, ktorú si potom môžu hudobníci vyladiť svoje nástroje do.

Aj keď sa rezonancia zvyčajne používa na označenie zvukových vĺn, mechanická rezonancia je v niektorých ohľadoch ľahšie pochopiteľná. Jednoduchým príkladom je dieťa, ktoré sa prvýkrát učí pumpovať hojdačku. Oscilačný pohyb hojdačky má prirodzenú frekvenciu, a keď sa dieťa naučí tlačiť (tj. aplikujte periodickú silu) na prirodzenú frekvenciu hojdania sa ich tlačenie stáva oveľa viac efektívne. V dôsledku toho sa zvyšuje amplitúda oscilácie švihu a osoba sediaca na ňom ide zakaždým vyššie.

Zasiahnutie prirodzenej frekvencie objektu však nie je vždy dobré. Napríklad vojaci, ktorí jednotne pochodujú po lanovom moste, môžu spôsobiť jeho vibrácie mimo kontroly a prípadne aj zrútenie, ak vystúpia na svoju prirodzenú frekvenciu. V prípadoch, ako je tento, môže ich generál požiadať, aby „prelomili krok“, aby neaplikovali periodickú silu pri prirodzenej frekvencii mosta.

Ešte stabilnejšie konštrukcie mostov majú rezonančné frekvencie, čo však spôsobuje problém iba v ojedinelých prípadoch (napríklad pri kmitočte Broughton Suspension Bridge, most v Anglicku, ktorý sa zrútil v roku 1831, údajne kvôli vojakom pochodujúcim v kroku cez Most).

Analógové hodiny tiež závisia od mechanickej rezonancie a prirodzenej frekvencie súčasti, aby si udržali čas. Napríklad kyvadlové hodiny používajú na udržanie času prirodzenú frekvenciu kmitania kyvadla a vyvažovacie koliesko funguje na rovnakom základnom princípe. Aj hodiny z kremenného kryštálu závisia od rezonančnej frekvencie, ale v tomto prípade kryštál reguluje kmitanie z elektronického oscilátora, čo má za následok obrovské zlepšenie presnosti v porovnaní s jednoduchšími vzory.

Existuje aj mnoho ďalších foriem rezonancie a všetky fungujú na rovnakom základnom princípe. Dva ďalšie príklady rezonancie, ktoré určite poznáte, súvisia skôr s elektromagnetickými osciláciami než s mechanickými. Prvá je vaša mikrovlnná rúra.

Vlny produkované mikrovlnkou produkujú teplo vo vašom jedle, pretože ich frekvencia sa zhoduje s rezonančnou frekvenciou molekuly vo vnútri potravy (napr. molekuly vody a tukov), čo spôsobí ich kolísanie a následné uvoľňovanie energie vo forme tepla.

Ďalším príkladom je anténa pre váš televízor alebo dokonca rádiová anténa. Tieto zariadenia sú navrhnuté tak, aby maximalizovali absorpciu elektromagnetického žiarenia. Keď naladíte anténu na konkrétnu frekvenciu, upravíte rezonančnú frekvenciu zariadenia. Keď sa frekvencia antény zhoduje s frekvenciou prichádzajúceho signálu, rezonuje a váš televízor alebo rádio signál „zachytí“.

Teraz, keď chápete kľúčové body týkajúce sa definície rezonancie a toho, čo je rezonančná frekvencia, Môžete pochopiť klasický príklad speváka, ktorý dokáže rozbiť krištáľové sklo spevom vpravo smola. Pohár má rezonančnú frekvenciu a ak spevák vydá zvuk so zhodnou frekvenciou, sklo začne vibrovať. Toto sa nazýva a sympatická vibrácia pretože predtým, ako spevák vydal zvuk, bolo sklo úplne nehybné.

Spočiatku môže byť v skle malá vibrácia, ale jej rozbitie v skutočnosti vyžaduje vytrvalé a hlasné tóny na správnej frekvencii. Ak to spevák dokáže, amplitúda oscilácie skla sa zvyšuje a nakoniec začne narúšať štrukturálnu integritu skla. Až v tomto okamihu - keď sa nota vydrží dostatočne dlho na to, aby vibrácie skla dosiahli maximálnu amplitúdu, ktorú dokáže podporiť -, keď sa sklo skutočne rozbije.