Резонанс: визначення, типи, частота та приклади

Всім відомий старий троп, де сильний оперний співак потрапляє в потрібну ноту, а кришталеве скло руйнується від шуму, але чи можливо це насправді? Ситуація може здатися надуманою, подібно до того, що ви набагато частіше побачите у фільмах чи мультфільмах, ніж у реальному житті.

Насправді феномен резонанс означає, що технічно можливо в реальному житті, будь то резонансна частота (та, яка відповідає природна частота скла) створюється чиїмсь голосом або одним чи багатьма музичними творами інструменти.

Дізнавшись більше про резонанс, ви зрозумієте, як працює звук, які принципи лежать в основі багатьох музичні інструменти та як збільшити чи зменшити рух у такій механічній системі, як гойдалки чи мотузка міст.

Слово резонанс спочатку походить від лат резонанса, що означає “ехо”, і це тісно пов’язано з резонансом, що означає повернути ехо чи “звук знову”. Ці два визначення вже стосуються звукових хвиль і дають вам основну картину значення слова у фізиці теж.

Однак, більш конкретно, визначення резонансу у фізиці полягає в тому, коли частота зовнішнього коливання або вібрації відповідає об’єкту (або порожнині)

У механічних системах під резонансом розуміється посилення, посилення або подовження звуку чи інших вібрацій. Як і у наведеному вище визначенні, для цього потрібно застосовувати зовнішню періодичну силу з частотою дорівнює природній частоті руху для об’єкта, яку іноді називають резонансною частота.

Усі об’єкти мають власну частоту або резонансну частоту, яку ви можете сприймати як частоту, на якій об’єкт “любить” вібрувати. Наприклад, якщо ви постукаєте нігтем у кришталевому склі, воно почне вібрувати на своїй резонансній частоті і видасть “відтінок” із відповідною висотою тону. Частота вібрацій залежить від фізичних властивостей об’єкта, і ви можете досить добре передбачити це для деяких речей, таких як натягнута струна.

Вивчення деяких прикладів резонансу допоможе вам зрозуміти різні форми резонансу, з якими ви стикаєтесь у своєму повсякденному житті. Найпоширеніший і найпростіший приклад - це звукові хвилі, адже коли ви вібруєте голосовими зв’язками праворуч частоти (для порожнини горла та рота), ви можете виробляти мовні та музичні тони, як інші люди чую.

Вібрація ваших голосових зв’язок утворює звукові хвилі, які насправді складаються з хвиль тиску в повітрі чергуються стиснуті ділянки (із щільністю більшою за середню) та розрідження (із середньою щільністю) щільність).

Більшість музичних інструментів працюють однаково. Наприклад, у мідному інструменті вібрація губ гравця проти мундштука створює початкову вібрацію, і коли це збігається з резонансною частота (або кратна їй) для розміру труби, в яку він або вона дме, виникає резонанс, а амплітуда коливань помітно зростає і створює чутний тон.

У деревних духових інструментах існує «очерет», який вібрує, коли повітря проходить над ним, і знову той же самий процес резонансу та посилення перетворює цю невелику вібрацію в чутний музичний тон. Струнні інструменти, такі як гітара, трохи відрізняються, але струни мають резонансну частоту вібрації, а також вироблені звукові хвилі резонують у порожнині (наприклад, у просторі в корпусі акустичної гітари), створюючи шум голосніше.

Більш простий приклад - це коли ви опускаєте на землю інструмент або тарілку. Удар, що утворюється, викликаний інструментом або пластиною, що вібрує на своїй резонансній частоті. Цей простіший спосіб створення звуку використовується ретельно розробленими камертонами, які спроектовані так створити специфічну висоту як власну частоту, яку музиканти можуть потім налаштувати на свої інструменти до.

Хоча резонанс зазвичай використовується для позначення звукових хвиль, механічний резонанс в деякому роді легше зрозуміти. Простий приклад - це дитина, яка вперше вчиться накачувати гойдалки. Коливальний рух гойдалок має природну частоту, і коли дитина вчиться штовхатися (тобто застосовувати періодичну силу) на власній частоті коливання, їх штовхання стає набагато більшим ефективний. В результаті цього амплітуда коливань гойдалки збільшується, і людина, що сидить на ній, з кожним разом підвищується.

Однак потрапляння на природну частоту об’єкта - це не завжди добре. Наприклад, солдати, які проходять по мотузковому мосту в унісон, можуть змусити його вібрувати з-під контролю і, можливо, навіть зруйнуватися, якщо наступити на його природній частоті. У таких випадках генерал може попросити їх "пробити крок", щоб вони не застосовували періодичну силу на власній частоті мосту.

Навіть більш стабільні конструкції мостів мають резонансні частоти, але це викликає проблему лише в рідкісних випадках (наприклад, з Підвісний міст Бротон, міст в Англії, який обвалився в 1831 році, нібито через солдатів, що йшли кроком через міст).

Аналогові годинники також залежать від механічного резонансу та власної частоти компонента, щоб зберегти час. Наприклад, маятникові годинники використовують природну частоту коливань маятника, щоб утримати час, і колесо балансу працює за тим самим основним принципом. Навіть кварцові годинники кристалів залежать від резонансної частоти, але в цьому випадку кристал регулює коливання від електронного генератора, що призводить до значних поліпшень точності порівняно з більш простими конструкцій.

Існує також багато інших форм резонансу, і всі вони працюють за тим самим основним принципом. Ще два приклади резонансу, які ви вам знайомі, пов’язані з електромагнітними коливаннями, а не з механічними. Перший - це ваша мікрохвильовка.

Хвилі, що виробляються мікрохвильовою піччю, виробляють тепло у вашій їжі, оскільки їх частота відповідає резонансній частоті молекули всередині їжі (наприклад, молекули води та жиру), що змушує їх хитатися і згодом виділяти енергію у вигляді тепла.

Інший приклад - антена для телевізора або навіть радіоантена. Ці пристрої призначені для максимального поглинання електромагнітного випромінювання, і коли ви налаштовуєте антену на певну частоту, ви регулюєте резонансну частоту для пристрою. Коли частота антени збігається з частотою вхідного сигналу, вона резонує, і ваш телевізор або радіо “підхоплює” сигнал.

Тепер, коли ви зрозуміли ключові моменти щодо визначення резонансу і що таке резонансна частота, ви можете зрозуміти класичний приклад співака, який зумів розбити кришталеву склянку, співаючи праворуч висота тону. Скло має резонансну частоту, і якщо співак видасть звук з відповідною частотою, скло почне вібрувати. Це називається a симпатична вібрація бо до того, як співак видав шум, скло було зовсім нерухоме.

Спочатку в склі можуть бути невеликі вібрації, але насправді для його розбиття потрібна витримка і голосна нота на потрібній частоті. Якщо співак може це зробити, амплітуда коливань скла збільшується і з часом починає порушувати структурну цілісність скла. Лише в цей момент - коли нота витримується досить довго, щоб вібрація скла досягла максимальної амплітуди, яку вона може підтримувати - тоді скло насправді розіб’ється.