Iedereen kent de oude trope waar een krachtige operazanger de juiste toon raakt en een kristalglas verbrijzelt van het geluid, maar is het echt mogelijk? De situatie lijkt misschien vergezocht, zoals iets dat je veel eerder in films of tekenfilms zou zien dan in het echte leven.

Het fenomeen van resonantie betekent eigenlijk dat het technisch mogelijk in het echte leven, of de resonantiefrequentie (die overeenkomt met de natuurlijke frequentie van het glas) wordt geproduceerd door iemands stem of door een of meerdere muziekinstrumenten.

Meer informatie over resonantie geeft u inzicht in hoe geluid werkt, de principes die ten grondslag liggen aan veel muziekinstrumenten en hoe beweging kan worden verhoogd of verlaagd in een mechanisch systeem zoals een schommel of een touwbrug.
Definitie van resonantie

Het woord resonantie
komt oorspronkelijk uit het Latijn resonantia
, wat 'echo' betekent, en het is nauw verwant aan de weerklank, wat betekent dat een echo of 'geluid weer' wordt geretourneerd. Deze twee definities hebben al betrekking op geluidsgolven en geven jij ook een basisbeeld van de betekenis van het woord in de natuurkunde.

, meer specifiek, de definitie van resonantie in de natuurkunde is wanneer de frequentie van een externe oscillatie of trilling overeenkomt met een natuurlijke frequentie van een object (of holte), en als gevolg daarvan ofwel trilt of de amplitude van oscillatie.

In mechanische systemen verwijst resonantie naar de versterking, versterking of verlenging van geluid of andere trillingen. Net zoals in de bovenstaande definitie, vereist dit dat een externe periodieke kracht wordt uitgeoefend op een frequentie gelijk aan de natuurlijke bewegingsfrequentie voor het object, die soms de resonantiefrequentie wordt genoemd.

Alle objecten hebben een natuurlijke frequentie of resonantiefrequentie, die je kunt zien als de frequentie waarmee het object 'wil' trillen. Als u bijvoorbeeld op een kristalglas met een vingernagel tikt, begint het te trillen op zijn resonantiefrequentie en produceert het een "tint" met een overeenkomstige toonhoogte. De frequentie van trillingen is afhankelijk van de fysieke eigenschappen van het object en u kunt dit vrij goed voorspellen voor sommige dingen, zoals een strakke snaar.
Voorbeelden van resonantie - Geluidsresonantie

Leren over enkele voorbeelden van resonantie zal u helpen de verschillende vormen van resonantie te begrijpen die u in uw dagelijks leven tegenkomt. Het meest voorkomende en eenvoudigste voorbeeld zijn geluidsgolven, omdat wanneer u uw stembanden op de juiste frequentie trilt (voor de holte van uw keel en mond), u spraaktonen en muzikale tonen kunt produceren die andere mensen kunnen horen.

De trilling van uw stembanden produceert de geluidsgolven, die echt drukgolven in de lucht zijn die bestaan uit afwisselend gecomprimeerde secties (met een hogere dan gemiddelde dichtheid) en zeldzaamheid (met een minder dan gemiddelde dichtheid).

De meeste muziekinstrumenten werken op dezelfde manier. In een koperen instrument bijvoorbeeld, creëert de trilling van de lippen van de speler tegen het mondstuk de initiële trilling, en wanneer deze overeenkomt met de resonantiefrequentie (of een veelvoud daarvan) voor de grootte van de pijp waarin hij of zij blaast, is er resonantie, en de amplitude van oscillatie neemt aanzienlijk toe en produceert een hoorbare toon.

In houtblazers is er een "riet" dat trilt als er lucht overheen wordt gepasseerd, en opnieuw verandert hetzelfde proces van resonantie en versterking deze kleine vibratie in een hoorbare muzikale toon. Snaarinstrumenten zoals een gitaar zijn een beetje anders, maar de snaren hebben een resonantiefrequentie van trillingen, en de geproduceerde geluidsgolven resoneren in de holte (bijvoorbeeld in de ruimte in het lichaam van een akoestische gitaar) om het geluid luider te maken.

Een eenvoudiger voorbeeld is wanneer u een gereedschap of een plaat op de grond laat vallen. De geproduceerde kling wordt veroorzaakt doordat het gereedschap of de plaat trilt met zijn resonantiefrequentie. Deze eenvoudigere manier om geluid te genereren, wordt gebruikt door zorgvuldig ontworpen stemvorken, die zijn ontworpen om een specifieke toonhoogte te produceren als hun natuurlijke frequentie, waarop muzikanten hun instrumenten kunnen afstemmen. Voorbeelden van resonantie - mechanische resonantie

Hoewel resonantie meestal wordt gebruikt om naar geluidsgolven te verwijzen, is mechanische resonantie op sommige manieren gemakkelijker te begrijpen. Een eenvoudig voorbeeld is een kind dat voor het eerst leert om een schommel te pompen. De oscillerende beweging van de schommel heeft een natuurlijke frequentie en wanneer het kind leert om te duwen (d.w.z. een periodieke kracht uit te oefenen) op de natuurlijke frequentie van de schommel, wordt het duwen veel effectiever. Als gevolg hiervan neemt de trillingsamplitude van de schommel toe en gaat de persoon die erop zit steeds hoger.

Het is echter niet altijd goed om de natuurlijke frequentie van een object te raken. Soldaten die bijvoorbeeld tegelijk over een touwbrug marcheren, kunnen ervoor zorgen dat deze ongecontroleerd trilt en mogelijk zelfs instort als ze op zijn natuurlijke frequentie stappen. In dit soort gevallen kan de generaal hen vragen om 'stap te breken' zodat ze geen periodieke kracht uitoefenen op de natuurlijke frequentie van de brug.

Nog stabielere brugontwerpen hebben resonantiefrequenties, maar dit alleen veroorzaakt een probleem in zeldzame oorzaken (zoals met de Broughton Suspension Bridge, een brug in Engeland die in 1831 instortte, vermoedelijk als gevolg van soldaten die in stap over de brug marcheerden).

Analoge klokken zijn ook afhankelijk van mechanische resonantie en de natuurlijke frequentie van een component om de tijd bij te houden. Slingerklokken gebruiken bijvoorbeeld de natuurlijke frequentie van de zwaai van de slinger om tijd te houden en een balanswiel werkt op hetzelfde basisprincipe. Zelfs kwartskristal klokken zijn afhankelijk van de resonantiefrequentie, maar in dit geval regelt het kristal de oscillatie van een elektronische oscillator, wat resulteert in enorme verbeteringen in nauwkeurigheid vergeleken met eenvoudiger ontwerpen.
Andere voorbeelden van resonantie

Er zijn veel ook andere vormen van resonantie, en allemaal werken ze op hetzelfde basisprincipe. Twee andere voorbeelden van resonantie die u kent, hebben te maken met elektromagnetische oscillaties in plaats van mechanische. De eerste is je magnetron.

De golven die door de magnetron worden geproduceerd, produceren warmte in je voedsel omdat hun frequentie overeenkomt met de resonantiefrequentie van de moleculen in het voedsel (bijvoorbeeld water- en vetmoleculen), waardoor ze gaan wiebelen en laat vervolgens energie vrij in de vorm van warmte.

Een ander voorbeeld is de antenne voor uw tv of zelfs een radioantenne. Deze apparaten zijn ontworpen om de absorptie van elektromagnetische straling te maximaliseren en wanneer u de antenne op een specifieke frequentie afstemt, past u de resonantiefrequentie voor het apparaat aan. Wanneer de frequentie van de antenne overeenkomt met de frequentie van het binnenkomende signaal, resoneert deze en neemt uw tv of radio het signaal op.
Dus hoe breekt het kristal?

Nu u de sleutel begrijpt punten over de definitie van resonantie en wat een resonantiefrequentie is, kunt u het klassieke voorbeeld begrijpen van een zanger die erin slaagt een kristalglas te breken door op de juiste toonhoogte te zingen. Het glas heeft een resonantiefrequentie en als de zanger een geluid produceert met een bijpassende frequentie, begint het glas te trillen. Dit wordt een sympathische trilling genoemd
omdat voordat de zanger een geluid maakte, het glas volledig stil was.

In het begin kan er een kleine trilling in het glas zijn, maar eigenlijk Shatter vereist een aanhoudende en luide toon op de juiste frequentie. Als de zanger dit kan, neemt de trillingsamplitude van het glas toe en begint uiteindelijk de structurele integriteit van het glas in gevaar te brengen. Het is pas op dit punt - wanneer de toon lang genoeg is aangehouden om de trilling van het glas de maximale amplitude te laten bereiken die het kan ondersteunen - wanneer het glas daadwerkelijk breekt.