Alla känner till den gamla tropen där en powerhouse-operasångare träffar rätt ton och ett kristallglas spricker från bruset, men är det verkligen möjligt? Situationen kan tyckas långtgående, som något du skulle ha mycket mer benägna att se i filmer eller tecknade filmer än i verkligheten.

Faktum är att fenomenet resonans
betyder att det är tekniskt möjligt i verkligheten, oavsett om resonansfrekvensen (den som matchar glasets naturliga frekvens) produceras av någon röst eller av ett eller många musikinstrument.

Lär 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 ett svängset eller en repbro.
Definition av resonans

Ordet resonans
kommer ursprungligen från det latinska resonantia
, vilket betyder "eko", och det är nära besläktat med klanget, vilket innebär att returnera ett eko eller "ljud igen." Dessa två definitioner avser redan ljudvågor och ger du en grundläggande bild av betydelsen av ordet i fysiken också.

Men mer specifikt är definitionen av resonans i fysiken när frekvensen för en extern svängning eller vibration matchar ett objekt (eller kavitetens) naturliga frekvens
och som ett resultat antingen får den att vibrera eller ökar sin amplitud av oscillation.

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

Alla objekt har en naturlig frekvens eller resonansfrekvens, som du kan tänka dig som den frekvens objektet "gillar" att vibrera på. Om du till exempel klickar på ett kristallglas med en nagel, kommer det att börja vibrera vid dess resonansfrekvens och ger 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.
Exempel på resonans - Ljudresonans.

Lär dig 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 röstsladdar med rätt frekvens (för hålrummen i halsen och munnen) kan du producera taltoner och musiktoner som andra människor kan höra.

Vibrationen i dina röstkablar producerar ljudvågorna, som verkligen är tryckvågor i luften som består av alternerande komprimerade sektioner (med en större densitet än genomsnittet) och sällsyntheter (med en mindre än genomsnittlig 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 resonansfrekvensen (eller en multipel av den) för rörets storlek han eller hon blåser i, finns det resonans, och svängningsamplituden ökar märkbart och ger en hörbar ton.

I träblåsinstrument finns det ett "vass" som vibrerar när luft passerar över den, och återigen samma process av resonans och förstärkning vänder denna lilla vibration till en hörbar musikalisk ton. Stränginstrument som en gitarr är lite annorlunda, men strängarna har en resonansfrekvens av vibrationer, och ljudvågorna som produceras resonerar i kaviteten (t.ex. i utrymmet i kroppen av en akustisk gitarr) för att göra ljudet högre.

Ett enklare exempel är när du tappar ett verktyg eller en platta på marken. Den producerade klangen orsakas av att verktyget eller plattan vibrerar vid dess resonansfrekvens. Detta enklare sätt att generera ljud används av noggrant utformade avstämningsgafflar, som är utformade för att producera en specifik tonhöjd som deras naturliga frekvens, som musiker sedan kan ställa in sina instrument på.
Exempel på resonans - mekanisk resonans

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 svängande rörelse har en naturlig frekvens, och när barnet lär sig att trycka (dvs. applicera en periodisk kraft) på gungans naturliga frekvens, blir deras skjutning mycket effektivare. Som ett resultat av detta ökar svängningen i svängningen av svingen och personen som sitter på den går högre varje gång.

Att slå ett objekts naturliga frekvens är dock inte alltid bra. Till exempel kan soldater som marscherar över en repbro i ensamhet få den att vibrera ur kontroll och eventuellt till och med kollapsa om de går vid dess naturliga frekvens. I sådana fall kan generalen be dem att ”bryta steget” så att de inte tillämpar en periodisk kraft på broens naturliga frekvens.

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

Analoga klockor beror också på mekanisk resonans och den naturliga frekvensen för en komponent för att hålla tiden. Till exempel använder pendelklockor den naturliga frekvensen för svängningen av pendeln för att hålla tiden, och ett balanshjul fungerar enligt samma grundprincip. Även kvartskristallklockor beror på resonansfrekvens, men i detta fall reglerar kristallen svängningen från en elektronisk oscillator, vilket resulterar i enorma förbättringar i noggrannhet jämfört med enklare konstruktioner.
Andra exempel på resonans.

Det finns många andra former av resonans också, och alla arbetar enligt 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 molekylerna i maten (t.ex. vatten- och fettmolekyler), vilket får dem att vingla och släpper därefter energi i form av 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 specifik frekvens justerar du resonansfrekvensen för enheten. När antennens frekvens matchar frekvensen för den inkommande signalen, resonerar den och din TV eller radio "plockar upp" signalen.
Så hur bryter kristallen?

Nu när du förstår nyckeln poäng om definitionen av resonans och vad en resonansfrekvens är, kan du förstå det klassiska exemplet på en sångare som lyckas bryta ett kristallglas genom att sjunga på rätt tonhöjd. Glaset har en resonansfrekvens, och om sångaren producerar ett ljud med en matchande frekvens börjar glaset vibrera. Detta kallas en sympatisk vibration
för innan sångaren ljudde var glaset helt stilla.

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