Резонанција: дефиниција, типови, фреквенција и примери

Сви знају стари троп где моћни оперски певач погоди праву ноту и кристално стакло се разбије од буке, али да ли је то заиста могуће? Ситуација може изгледати претјерано, попут нечега што бисте много чешће видели у филмовима или цртаним филмовима него у стварном животу.

У ствари, феномен резонанција значи да је у стварном животу технички могуће, било да се резонантна фреквенција (она која одговара природна фреквенција чаше) производи нечији глас или један или више мјузикла инструменти.

Ако сазнате више о резонанци, добијате разумевање како звук функционише, принципи који подупиру многе музички инструменти и како повећати или смањити кретање у механичком систему попут љуљашке или канапа мост.

Реч резонанција изворно потиче из латинског ресонантиа, што значи „ехо“, а уско је повезан са звуком, што значи да се врати ехо или „звук поново“. Ове две дефиниције се већ односе на звучне таласе и дају вам основну слику значења речи у физици такође.

Међутим, тачније, дефиниција резонанције у физици је када се фреквенција спољних осцилација или вибрација поклапа са објектом (или шупљином)

У механичким системима, резонанција се односи на појачавање, појачавање или продужење звука или других вибрација. Баш као у горњој дефиницији, ово захтева примену спољне периодичне силе на фреквенцији једнака природној фреквенцији кретања за објекат, која се понекад назива и резонантном фреквенција.

Сви објекти имају природну фреквенцију или резонантну фреквенцију, коју можете сматрати фреквенцијом на којој објекат „воли“ да вибрира. На пример, ако ноктом тапкате по кристалном стаклу, оно ће почети да вибрира на својој резонантној фреквенцији и произвешће „нијансу“ са одговарајућим кораком. Учесталост вибрација зависи од физичких својстава предмета и то можете прилично добро предвидети за неке ствари попут напете жице.

Учење о неким примерима резонанције помоћи ће вам да разумете различите облике резонанције са којима се сусрећете у свакодневном животу. Најчешћи и најједноставнији пример су звучни таласи, јер када вибрирате гласне жице с десне стране фреквенције (за шупљину грла и уста) можете произвести тонове говора и музичке тонове као и други људи чује.

Вибрација ваших гласних жица производи звучне таласе, који су заиста таласи притиска у ваздуху од којих се састоји наизменични компримовани делови (са већом од просечне густине) и разређења (са мањом од просечне густина).

Већина музичких инструмената ради на исти начин. На пример, у месинганом инструменту, вибрација усана играча на уснику ствара почетну вибрацију и када се она подудара са резонантном фреквенције (или вишеструке од ње) за величину цеви у коју дува, долази до резонанције, а амплитуда осцилације се знатно повећава и производи звучни тон.

У дувачким инструментима постоји „трска“ која вибрира док се ваздух провлачи преко ње, а опет исти поступак резонанције и појачавања претвара ову малу вибрацију у звучни музички тон. Гудачки инструменти попут гитаре су мало другачији, али жице имају резонантну фреквенцију вибрација, као и произведени звучни таласи резонирају у шупљини (нпр. у простору у телу акустичне гитаре) да би створили буку гласније.

Једноставнији пример је када алат или плочу испустите на земљу. Звекет који настаје узрокује вибрација алата или плоче на својој резонантној фреквенцији. Овај једноставнији начин генерисања звука користе пажљиво дизајниране угаоне вилице, које су дизајниране тако да произведу одређену висину тона као своју природну фреквенцију, коју музичари потом могу подесити на своје инструменте до.

Иако се резонанца обично користи за означавање звучних таласа, механичка резонанца је на неки начин лакше разумљива. Једноставан пример је дете које први пут учи да пумпа замах. Осцилаторно кретање замаха има природну фреквенцију и када дете научи да гура (тј. применити периодичну силу) на природној фреквенцији замаха, њихово гурање постаје много више ефикасан. Као резултат тога, амплитуда осциловања замаха се повећава и особа која седи на њему сваки пут се повећава.

Ударање природне фреквенције објекта, међутим, није увек добра ствар. На пример, војници који сложно марширају преко моста од ужета могу да проузрокују да он вибрира ван контроле и да се чак може срушити ако закораче на његову природну фреквенцију. У случајевима попут овог, генерал би могао да затражи од њих да „прекину корак“ како не би примењивали периодичну силу на природној фреквенцији моста.

Чак и стабилнији дизајни мостова имају резонантне фреквенције, али то узрокује проблеме само у ретким узроцима (као што је код Броугхтон Суспенсион Бридге, мост у Енглеској који се срушио 1831. године, наводно због војника који су корачали кораком преко мост).

Аналогни сатови такође зависе од механичке резонанце и природне фреквенције неке компоненте да би задржали време. На пример, сатови са клатном користе природну фреквенцију њихања клатна да би задржали време, а точак за равнотежу ради на истом основном принципу. Чак и кварцни сатови кристала зависе од резонантне фреквенције, али у овом случају кристал регулише осцилација од електронског осцилатора, што је резултирало огромним побољшањима тачности у поређењу са једноставнијим дизајнира.

Постоје и многи други облици резонанце, и сви они раде на истом основном принципу. Још два примера резонанције која ће вам бити позната имају везе са електромагнетним осцилацијама, а не механичким. Прва је ваша микроталасна.

Таласи које производи микроталасна пећ производе топлоту у вашој храни јер се њихова фреквенција поклапа са резонантном фреквенцијом молекули унутар хране (нпр. молекули воде и масти), због чега се климају и после ослобађају енергију у облику топлоте.

Други пример је антена за ваш ТВ или чак радио антена. Ови уређаји су дизајнирани да максимализују апсорпцију електромагнетног зрачења, а када антену „подесите“ на одређену фреквенцију, прилагођавате резонантну фреквенцију за уређај. Када се фреквенција антене подудара са фреквенцијом долазног сигнала, она одјекује и ваш ТВ или радио „хвата“ сигнал.

Сада када разумете кључне тачке око дефиниције резонанције и шта је резонантна фреквенција, можете разумети класични пример певача који успева да разбије кристалну чашу певајући с десне стране висина тона. Чаша има резонантну фреквенцију, а ако певач произведе звук одговарајуће фреквенције, чаша ће почети да вибрира. Ово се назива а симпатична вибрација јер пре него што је певач издао звук, чаша је била потпуно мирна.

У почетку у стаклу могу постојати мале вибрације, али заправо за његово пуцање потребна је трајна и гласна нота праве фреквенције. Ако певач то може, амплитуда осциловања стакла се повећава и на крају почиње да угрожава структурни интегритет стакла. Тек у овом тренутку - када се нота одржи довољно дуго да вибрације стакла достигну максималну амплитуду коју може да подржи - стакло ће се заиста сломити.