Resonans: definition, typer, frekvens och exempel

Alla känner till den gamla tropen där en kraftpaketsångare slår rätt ton och ett kristallglas krossas av bullret, men är det verkligen möjligt? Situationen kan verka långsökt, som något som du är mycket mer benägna att se i filmer eller tecknade serier än i verkligheten.

Faktum är att fenomenet resonans betyder att det är tekniskt möjligt i verkliga livet, oavsett om resonansfrekvensen (den som matchar glasets naturliga frekvens) produceras av någon röst eller av en eller flera musikaler instrument.

Att lära dig mer om resonans ger dig en förståelse för hur ljud fungerar, de principer som ligger till grund för många musikinstrument och hur man ökar eller minskar rörelse i ett mekaniskt system som en gunguppsättning eller ett rep bro.

Ordet resonans kommer ursprungligen från latin resonantia, vilket betyder "eko", och det är nära besläktat med runget, vilket betyder att återge ett eko eller "ljud igen." Dessa två definitioner avser redan ljudvågor och ger dig en grundläggande bild av betydelsen av ordet i fysik för.

Mer specifikt är dock definitionen av resonans i fysik när frekvensen för en extern svängning eller vibration matchar ett objekt (eller hålrum) naturlig frekvensoch som ett resultat antingen får den att vibrera eller ökar sin svängningsamplitud.

I mekaniska system avser resonans förstärkning, förstärkning eller förlängning av ljud eller andra vibrationer. Precis som i definitionen ovan kräver detta att en extern periodisk kraft appliceras med en frekvens lika med den naturliga rörelsefrekvensen för objektet, som ibland kallas resonans frekvens.

Alla objekt har en naturlig frekvens eller resonansfrekvens, som du kan tänka på som den frekvens som objektet "gillar" att vibrera vid. Om du till exempel knackar på ett kristallglas med en nagel, kommer det att börja vibrera vid sin resonansfrekvens och producera en "ting" med motsvarande tonhöjd. Vibrationsfrekvensen beror på objektets fysiska egenskaper, och du kan förutsäga detta ganska bra för vissa saker som en stram sträng.

Att lära dig om några exempel på resonans hjälper dig att förstå de olika formerna av resonans du möter i ditt dagliga liv. Det vanligaste och enklaste exemplet är ljudvågor, för när du vibrerar dina stämband till höger frekvens (för kaviteten i halsen och munnen) kan du producera taltoner och musikaliska toner som andra människor kan höra.

Vibrationerna i dina stämbanden producerar ljudvågorna, som verkligen är tryckvågor i luften som består av alternerande komprimerade sektioner (med högre densitet än genomsnittet) och sällsynta (med mindre än genomsnittet) densitet).

De flesta musikinstrument fungerar på samma sätt. Till exempel, i ett mässingsinstrument, skapar vibrationen av spelarens läppar mot munstycket den initiala vibrationen, och när detta matchar resonansen frekvens (eller en multipel av den) för storleken på röret som han eller hon blåser in i, det finns resonans och svängningsamplituden ökar särskilt och ger en hörbar ton.

I träblåsinstrument finns det ett "vass" som vibrerar när luft passerar över det, och återigen gör samma process av resonans och förstärkning denna lilla vibration till en hörbar musikalisk ton. Stränginstrument som en gitarr är lite annorlunda, men strängarna har en resonansvibrationsfrekvens och producerade ljudvågor resonerar i håligheten (t.ex. i utrymmet i en akustisk gitarr) för att göra ljudet högre.

Ett enklare exempel är när du släpper ett verktyg eller en tallrik på marken. Den klang som produceras orsakas av att verktyget eller plattan vibrerar vid sin resonansfrekvens. Detta enklare sätt att generera ljud används av noggrant designade stämgafflar, som är utformade så att för att producera en specifik tonhöjd som sin naturliga frekvens, vilka musiker sedan kan ställa in sina instrument till.

Även om resonans vanligtvis används för att hänvisa till ljudvågor, är mekanisk resonans på vissa sätt lättare att förstå. Ett enkelt exempel är ett barn som lär sig att pumpa en gunga för första gången. Gungans oscillerande rörelse har en naturlig frekvens och när barnet lär sig att trycka (dvs applicera en periodisk kraft) vid gungans naturliga frekvens, blir deras tryckning mycket mer effektiv. Som ett resultat av detta ökar svängningsamplituden i gungan och personen som sitter på den blir högre varje gång.

Att slå ett objekts naturliga frekvens är dock inte alltid bra. Till exempel kan soldater som marscherar över en repbro tillsammans få dem att vibrera utom kontroll och eventuellt till och med kollapsa om de går på sin naturliga frekvens. I fall som detta kan generalen be dem "bryta steg" så att de inte tillämpar en periodisk kraft vid broens naturliga frekvens.

Ännu mer stabila bryggkonstruktioner har resonansfrekvenser, men detta orsakar bara ett problem i sällsynta orsaker (som med Broughton Suspension Bridge, en bro i England som kollapsade 1831, förmodligen på grund av att soldater marscherade i steg över bro).

Analoga klockor beror också på mekanisk resonans och den naturliga frekvensen hos en komponent för att hålla tiden. Till exempel använder pendelur den naturliga frekvensen för pendelns svängning för att hålla tiden, och ett balanshjul fungerar på samma grundprincip. Även kvartskristallklockor beror på resonansfrekvensen, men i detta fall reglerar kristallen svängning från en elektronisk oscillator, vilket resulterar i enorma förbättringar i noggrannhet jämfört med enklare mönster.

Det finns många andra former av resonans också, och alla arbetar på samma grundprincip. Två andra exempel på resonans som du känner till har att göra med elektromagnetiska svängningar snarare än mekaniska. Den första är din mikrovågsugn.

Vågorna som produceras av mikrovågsugnen producerar värme i din mat eftersom deras frekvens matchar resonansfrekvensen för molekyler inuti maten (t.ex. vatten- och fettmolekyler), vilket får dem att vackla och därefter frigöra energi i form värme.

Ett annat exempel är antennen för din TV eller till och med en radioantenn. Dessa enheter är utformade för att maximera absorptionen av elektromagnetisk strålning, och när du ”ställer in” antennen till en viss frekvens, justerar du resonansfrekvensen för enheten. När antennens frekvens matchar frekvensen för den inkommande signalen resonerar den och din TV eller radio “tar upp” signalen.

Nu när du förstår de viktigaste punkterna om definitionen av resonans och vad en resonansfrekvens är, du kan förstå det klassiska exemplet på att en sångare lyckas bryta ett kristallglas genom att sjunga till höger tonhöjd. Glaset har en resonansfrekvens, och om sångaren producerar ett ljud med en matchande frekvens kommer glaset att börja vibrera. Detta kallas a sympatisk vibration för innan sångaren gjorde ett ljud var glaset helt stilla.

Först kan det finnas en liten vibration i glaset, men för att det faktiskt ska krossas krävs en långvarig och hög ton vid rätt frekvens. Om sångaren kan göra detta ökar glasets svängningsamplitud och börjar så småningom äventyra glasets strukturella integritet. Det är bara vid denna tidpunkt - när noten har hållits tillräckligt länge för att glasets vibrationer ska nå den maximala amplituden som den kan stödja - när glaset faktiskt går sönder.