Resonanca: opredelitev, vrste, frekvenca in primeri

Vsi poznajo stari trop, kjer močni operni pevec zadene pravo noto in kristalno steklo razbije hrup, toda ali je to res mogoče? Situacija se morda zdi namišljena, kot da bi nekaj bolj verjetno videli v filmih ali risankah kot v resničnem življenju.

Pravzaprav pojav resonanca pomeni, da je tehnično mogoče v resničnem življenju, ali resonančna frekvenca (tista, ki se ujema naravna frekvenca stekla) ustvari glas nekoga ali en ali več glasbenih del instrumenti.

Če izveste več o resonanci, boste razumeli, kako deluje zvok, na katerih temeljijo številna načela glasbila in kako povečati ali zmanjšati gibanje v mehanskem sistemu, kot je gugalnica ali vrv mostu.

Beseda resonanca prvotno prihaja iz latinščine resonantia, kar pomeni "odmev", in je tesno povezan z odmevom, kar pomeni, da vrne odmev ali "znova". Te dve definiciji se že nanašata na zvočne valove in vam dajeta osnovno sliko pomena besede v fiziki preveč.

Natančneje, opredelitev resonance v fiziki je, kadar se frekvenca zunanjega nihanja ali vibracije ujema s predmetom (ali votlino)

V mehanskih sistemih se resonanca nanaša na ojačanje, ojačanje ali podaljšanje zvoka ali drugih vibracij. Tako kot v zgornji definiciji tudi tu zahteva zunanjo periodično silo, ki deluje s frekvenco enako naravni frekvenci gibanja predmeta, ki jo včasih imenujemo tudi resonančna frekvenca.

Vsi predmeti imajo naravno frekvenco ali resonančno frekvenco, ki si jo lahko predstavljate kot frekvenco, na kateri predmet "rad" vibrira. Če na primer z nohtom tapnete kristalno steklo, bo začelo vibrirati pri svoji resonančni frekvenci in bo ustvarilo "odtenek" z ustreznim korakom. Pogostost vibracij je odvisna od fizikalnih lastnosti predmeta in to lahko dobro predvidete za nekatere stvari, kot je napeta vrvica.

Spoznavanje nekaterih primerov resonance vam bo pomagalo razumeti različne oblike resonance, s katerimi se srečujete v vsakdanjem življenju. Najpogostejši in najpreprostejši primer so zvočni valovi, saj ko vibrirate glasilke na desni frekvence (za votlino grla in ust) lahko ustvarite govorne in glasbene tone kot drugi slišim.

Vibriranje vaših glasilk ustvarja zvočne valove, ki so resnično tlačni valovi v zraku, sestavljeni iz njih izmenični stisnjeni odseki (z večjo od povprečne gostote) in redčenja (z manj kot povprečno) gostota).

Večina glasbil deluje na enak način. Na primer, v medeninastem instrumentu vibracija ust igralca ob ustniku ustvari začetno vibracijo in ko se ta ujema z resonančnim frekvenca (ali njen večkratnik) za velikost cevi, v katero piha, pride do resonance in amplituda nihanja se znatno poveča in povzroči zvočni ton.

V pihalnih instrumentih obstaja "trst", ki vibrira, ko zrak prehaja čeznjo, in spet isti postopek resonance in ojačanja spremeni to majhno vibracijo v slišen glasbeni ton. Godalni instrumenti, kot je kitara, so nekoliko drugačni, vendar imajo godala resonančno frekvenco vibracij in proizvedeni zvočni valovi odzvanjajo v votlini (npr. v prostoru v telesu akustične kitare), da ustvarijo hrup glasneje.

Preprostejši primer je, ko orodje ali ploščo spustite na tla. Nastanek zvoka povzroči orodje ali plošča, ki vibrira pri svoji resonančni frekvenci. Ta preprostejši način za ustvarjanje zvoka uporabljajo skrbno oblikovane uglasitvene vilice, ki so zasnovane tako da ustvarijo določeno smolo kot svojo naravno frekvenco, ki jo glasbeniki nato lahko uglašijo s svojimi glasbili do.

Čeprav se resonanca običajno uporablja za označevanje zvočnih valov, je mehansko resonanco na nek način lažje razumeti. Preprost primer je otrok, ki se prvič uči gugati gugalnico. Nihajno gibanje gugalnice ima naravno frekvenco in ko se otrok nauči potiskati (tj. uporabiti periodično silo) pri naravni frekvenci gugalnice, njihovo potiskanje postane veliko večje učinkovito. Kot rezultat tega se amplituda nihanja gugalnice poveča in oseba, ki sedi na njej, se vsakič poveča.

Doseganje naravne frekvence predmeta pa ni vedno dobro. Na primer, vojaki, ki soglasno korakajo čez vrvni most, bi lahko povzročili, da bo vibriral izpod nadzora in morda celo propadel, če bodo stopili na njegovo naravno frekvenco. V takih primerih lahko general od njih zahteva, da "prekinejo korak", tako da ne uporabljajo periodične sile pri naravni frekvenci mostu.

Tudi bolj stabilni projekti mostov imajo resonančne frekvence, vendar to povzroča težave le v redkih vzrokih (na primer pri Viseči most Broughton, most v Angliji, ki se je zrušil leta 1831, domnevno zaradi vojakov, ki so korakali v koraku čez most).

Analogne ure so odvisne tudi od mehanske resonance in naravne frekvence komponente, da ohranijo čas. Na primer, nihajne ure uporabljajo naravno frekvenco nihanja nihala, da ohranijo čas, in ravnovesje deluje po istem osnovnem principu. Tudi kremenčeve kristalne ure so odvisne od resonančne frekvence, vendar v tem primeru kristal uravnava nihanje iz elektronskega oscilatorja, kar je povzročilo velike izboljšave natančnosti v primerjavi s preprostejšimi modelov.

Obstaja tudi veliko drugih oblik resonance in vse delujejo po istem osnovnem principu. Dva druga primera resonance, ki ju boste poznali, sta povezana z elektromagnetnimi nihanji in ne z mehanskimi. Prva je vaša mikrovalovna pečica.

Valovi, ki jih proizvaja mikrovalovna pečica, proizvajajo toploto v vaši hrani, ker se njihova frekvenca ujema z resonančno frekvenco molekule v hrani (npr. molekule vode in maščob), zaradi česar se talahajo in nato sproščajo energijo v obliki toplote.

Drug primer je antena za vaš televizor ali celo radijska antena. Te naprave so zasnovane tako, da povečajo absorpcijo elektromagnetnega sevanja in ko anteno nastavite na določeno frekvenco, prilagodite resonančno frekvenco za napravo. Ko se frekvenca antene ujema s frekvenco dohodnega signala, ta odzvanja in vaš televizor ali radio "pobere" signal.

Zdaj, ko razumete ključne točke glede definicije resonance in kaj je resonančna frekvenca, lahko razumete klasičen primer pevca, ki je s pesmijo na desni uspel razbiti kristalni kozarec višina tona. Kozarec ima resonančno frekvenco in če bo pevec ustvaril zvok z ustrezno frekvenco, bo steklo začelo vibrirati. To se imenuje a simpatična vibracija kajti preden je pevec sprožil hrup, je bilo steklo popolnoma mirno.

Sprva lahko v kozarcu prihaja do majhnih vibracij, toda za njegovo razbijanje je potrebna trajna in glasna nota s pravo frekvenco. Če lahko pevec to stori, se amplituda nihanja stekla poveča in sčasoma začne ogrožati strukturno celovitost stekla. Šele na tej točki - ko se nota zadrži dovolj dolgo, da vibracije stekla dosežejo največjo amplitudo, ki jo lahko podpira, se bo steklo dejansko zlomilo.