Resonans: Definition, Typer, Frekvens og eksempler

Alle kender den gamle trope, hvor en kraftværksopera sanger rammer den rigtige note og et krystalglas sprækker fra støj, men er det virkelig muligt? Situationen kan virke langsigtet, ligesom noget, du ville have meget mere sandsynlighed for at se i film eller tegnefilm end i det virkelige liv.

Faktisk betyder fænomenet resonans - det er teknisk muligt i det virkelige liv, uanset om resonansfrekvensen (den der matcher glassets naturlige frekvens) produceres af en andres stemme eller af et eller mange musikinstrumenter.

At lære mere om resonans giver dig forståelse af hvordan lyd fungerer, principperne, der ligger til grund for mange musikinstrumenter, og hvordan man øger eller mindsker bevægelse i et mekanisk system som et svingsæt eller en rebbro.
Definition af resonans

Ordet resonans
stammer oprindeligt fra det latinske resonantia
, der betyder "ekko", og det er tæt forbundet med resoundet, hvilket betyder at returnere et ekko eller "lyd igen." Disse to definitioner vedrører allerede lydbølger og giver du et grundlæggende billede af betydningen af ordet i fysik.

Dog mere specifikt er definitionen af resonans i fysik, når frekvensen af en ekstern svingning eller vibration matcher et objekt (eller hulrums) naturlige frekvens
, og som et resultat enten får den til at vibrere eller øger dens amplitude af svingning.

I mekaniske systemer henviser resonans til forstærkning, forstærkning eller forlængelse af lyd eller andre vibrationer. Ligesom i definitionen ovenfor kræver dette en ekstern periodisk kraft, der påføres med en frekvens, der er lig med den naturlige bevægelsesfrekvens for objektet, som undertiden kaldes resonansfrekvensen.

Alle objekter har en naturlig frekvens eller resonansfrekvens, som du kan tænke på som den frekvens objektet "kan lide" at vibrere ved. Hvis du f.eks. Banker på et krystalglas med en negle, begynder det at vibrere ved sin resonansfrekvens og vil give en "ting" med en tilsvarende tonehøjde. Frekvensen af vibrationer afhænger af objektets fysiske egenskaber, og du kan forudsige dette temmelig godt for nogle ting som en stram streng.
Eksempler på resonans - lydresonans

At lære om nogle eksempler på resonans vil hjælpe dig med at forstå de forskellige former for resonans, du støder på i dit daglige liv. Det mest almindelige og enkleste eksempel er lydbølger, fordi når du vibrerer dine stemmebånd med den rigtige frekvens (til hulrummet i din hals og mund), kan du fremstille taletoner og musiktoner, som andre mennesker kan høre.

Vibrationen af dine stemmebånd producerer lydbølgerne, som virkelig er trykbølger i luften, der består af skiftende komprimerede sektioner (med en større densitet end gennemsnittet) og sjældenheder (med en mindre end gennemsnitlig tæthed).

De fleste musikinstrumenter fungerer på samme måde. For eksempel i et messinginstrument skaber vibrationen af afspillerens læber mod mundstykket den oprindelige vibration, og når dette matcher resonansfrekvensen (eller et multiplum af det) for størrelsen på det rør, han eller hun blæser i, er der resonans, og svingningens amplitude øges markant og frembringer en hørbar tone.

I træblæsningsinstrumenter er der et "rør", der vibrerer, når luft ledes over det, og igen den samme proces med resonans og forstærkning vender denne lille vibration ind i en hørbar musikalsk tone. Strygeinstrumenter som en guitar er lidt anderledes, men strengene har en resonansfrekvens af vibration, og lydbølgerne, der frembringes, genklang i hulrummet (f.eks. I rummet i en akustisk guitar) for at gøre støjen højere.

Et enklere eksempel er, når du slipper et værktøj eller en plade på jorden. Den producerede klang forårsages af værktøjet eller pladen vibrerer ved dens resonansfrekvens. Denne enklere måde at generere lyd bruges af omhyggeligt designet tuning gafler, der er designet til at producere en bestemt tonehøjde som deres naturlige frekvens, som musikere derefter kan indstille deres instrumenter til.
Eksempler på resonans - mekanisk resonans

Selvom resonans normalt bruges til at henvise til lydbølger, er mekanisk resonans på nogle måder lettere at forstå. Et simpelt eksempel er et barn, der lærer at pumpe en sving for første gang. Gyngens svingende bevægelse har en naturlig frekvens, og når barnet lærer at skubbe (dvs. anvende en periodisk kraft) ved svingens naturlige frekvens, bliver deres skubbe meget mere effektiv. Som et resultat heraf øges svingningsamplituden i svingen, og den person, der sidder på det, går højere hver gang.

At ramme et objekts naturlige frekvens er dog ikke altid godt. F.eks. Kan soldater, der sammen marsjerer over en reb bro, få den til at vibrere ude af kontrol og muligvis endda kollapse, hvis de træder på dens naturlige frekvens. I tilfælde som dette kan generalen bede dem om at "bryde trin", så de ikke anvender en periodisk kraft på broens naturlige frekvens.

Endnu mere stabile brokonstruktioner har resonansfrekvenser, men dette er kun forårsager et problem i sjældne årsager (som f.eks. med Broughton Suspension Bridge, en bro i England, der kollapset i 1831, angiveligt på grund af soldater, der marsjerede i skridt over broen.)

Analoge ure afhænger også af mekanisk resonans og den naturlige hyppighed af en komponent for at holde tiden. For eksempel bruger pendulurene den naturlige frekvens af svingningen af pendelen for at holde tiden, og et balancehjul fungerer efter det samme grundlæggende princip. Selv kvarts krystalur afhænger af resonansfrekvens, men i dette tilfælde regulerer krystallen svingningen fra en elektronisk oscillator, hvilket resulterer i enorme forbedringer i nøjagtighed sammenlignet med enklere design.
Andre eksempler på resonans |

Der er mange andre former for resonans også, og alle arbejder efter det samme grundlæggende princip. To andre eksempler på resonans, som du er bekendt med, har at gøre med elektromagnetiske svingninger snarere end mekaniske. Den første er din mikrobølgeovn.

Bølgerne, der produceres af mikrobølgeovnen, producerer varme i din mad, fordi deres frekvens matcher resonansfrekvensen for molekylerne inde i fødevaren (f.eks. Vand og fedtmolekyler), hvilket får dem til at vugle og frigør derefter energi i form af varme.

Et andet eksempel er antennen til dit tv eller endda en radioantenne. Disse enheder er designet til at maksimere absorptionen af elektromagnetisk stråling, og når du "indstiller" antennen til en bestemt frekvens, justerer du resonansfrekvensen for enheden. Når frekvensen på antennen stemmer overens med frekvensen for det indkommende signal, resonerer den, og dit tv eller radio "henter" signalet.
Så hvordan bryder krystallen?

Nu hvor du forstår tasten punkter om definitionen af resonans, og hvad en resonansfrekvens er, kan du forstå det klassiske eksempel på, at en sanger klarer at bryde et krystalglas ved at synge på det rigtige toneleje. Glasset har en resonansfrekvens, og hvis sangeren producerer en lyd med en matchende frekvens, vil glasset begynde at vibrere. Dette kaldes en sympatisk vibration
fordi inden sangeren lavede en støj, var glasset helt stille.

I starten kan der være en lille vibration i glasset, men faktisk gøre det knusning kræver en vedvarende og højlyd tone med den rigtige frekvens. Hvis sangeren kan gøre dette, øges amplituden af svingningen i glasset og begynder til sidst at gå på kompromis med den strukturelle integritet af glasset. Det er først på dette tidspunkt - når noten er blevet opretholdt længe nok til, at glasets vibration når den maksimale amplitude, den kan understøtte, - når glasset faktisk bryder.