Як на звук і світлові хвилі впливає принцип резонансу? Що таке вібрації і резонансні частоти об’єктів? Які повсякденні приклади резонансу можна зустріти в житті? Як розбити келих за допомогою голосу? Якщо придивитися, то можна побачити приклади резонансу всюди. Ось тільки деякі з них несуть користь, а інші – шкода.

Що таке резонанс?

Ви коли-небудь замислювалися над тим, як люди створюють прекрасну музику за допомогою звичайних келихів? По мірі підвищення впливу на скло звуковими хвилями воно може навіть розбитися. Світлові хвилі також взаємодіють особливими способами з об’єктами навколо себе. Поведінка звукових і світлових хвиль пояснює, чому люди чують звуки музичних інструментів, розрізняють кольори. Зміни амплітуди хвильової викликані важливим принципом, який називається резонансом. Прикладами впливу на передачу звуку і світла є вібрації.

Звукові хвилі відбуваються від механічних коливань в твердих тілах, рідинах і газах. Світлові хвилі виходять з вібрації заряджених частинок. Об’єкти, заряджені частинки і механічні системи зазвичай мають певну частоту, на якій вони схильні вібрувати. Це називається їх резонансною частотою або їх власною частотою. Деякі об’єкти мають дві або більше резонансних частот. Приклад резонансу: коли ви їдете по вибоїстій дорозі, і ваш автомобіль починає стрибати вгору і вниз – це приклад коливання вашої машини на своїй резонансній частоті, вірніше резонансна частота амортизаторів. Ви можете помітити, що коли ви їдете в автобусі, частота відскоку трохи повільніше. Це тому, що амортизатори шини мають більш низьку резонансну частоту.

Коли звукова або світлова хвиля вдаряє по об’єкту, вона вже вібрує на певній частоті. Якщо ця частота буде відповідати резонансній частоті об’єкта, то це призведе до того, що ви отримаєте резонанс. Він виникає, коли амплітуда коливань об’єкта збільшується за рахунок відповідних коливань іншого об’єкта. Цю зв’язок важко уявити без прикладу.

Резонанс і світлові хвилі

Взяти, приміром, типову світлову хвилю (це потік білого світла, який виходить від сонця) і направити її на темний об’єкт, нехай це буде чорна змія. Молекули в шкірі плазуна мають набір резонансних частот. Тобто електрони в атомах прагнуть вібрувати на певних частотах. Світло, спускається з сонця, – білий світ, який має многосоставную частоту.

Сюди входять червоний і зелений, синій і жовтий, оранжевий і фіолетовий. Кожна з цих частот вражає шкіру змії. І кожна частота призводить до вібрації іншого електрона. Жовта частота резонує з електронами, резонансна частота яких жовта. Синя частота резонує з електронами, резонансна частота яких синя. Таким чином, шкіра змії в цілому резонує з сонячним світлом. Змія здається чорною, бо її шкіра поглинає всі частоти сонячного світла.

Коли світлові хвилі резонують з об’єктом, вони змушують електрони вібрувати з великими амплітудами. Світлова енергія поглинається об’єктом, і людському оку не помітно, що світло повертається назад. Об’єкт виглядає чорним. Що робити, якщо об’єкт не поглинає сонячне світло? Якщо жоден з його електронів не резонує зі світловими частотами? Якщо резонанс не виникає, то ви отримаєте передачу, пропущення світлових хвиль через об’єкт. Скло здається прозорим, тому що воно не поглинає сонячне світло.

Світло все ще викликає вібрації електронів. Але оскільки він не відповідає резонансним частотам електронів, коливання дуже малі і проходять від атома до атома через весь об’єкт. Об’єкт без резонансу буде мати нульове поглинання і 100 % передачу, наприклад скло або вода.

Музика і резонанс звукових хвиль

Резонанс для звуку працює так само, як і для світу. Коли один об’єкт вібрує на частоті другого об’єкта, тоді перший примушує другий вібрувати з високою амплітудою. Так виникає акустичний резонанс. Прикладом служить гра на будь-якому музичному інструменті. Акустичний резонанс відповідає за музику, створювану трубою, флейтою, тромбон і багатьма іншими інструментами. Як працює це дивовижне явище? Можна привести приклад резонансу, який має позитивний ефект.

Пройшовши в собор, де грає органна музика, можна помітити, що вся стіна заповнена величезними трубами всіх розмірів. Деякі з них дуже короткі, а інші доходять до стелі. Для чого потрібні всі труби? Коли починає грати прекрасна музика, можна зрозуміти, що звук виходить від труб, він дуже гучний і, здається, заповнює весь собор. Як такі труби можуть звучати так голосно? У всьому винен акустичний резонанс, і він не є єдиним інструментом, який використовує це дивовижне явище.

Створення звукових хвиль

Щоб зрозуміти, що відбувається, вам спочатку потрібно трохи дізнатися про те, як звук проходить по повітрю. Звукові хвилі створюються, коли щось викликає вібрацію молекул повітря. Потім ця вібрація переміщається, як хвиля, назовні в усіх напрямках. Коли хвиля проходить по повітрю, є області, де молекули стискуються ближче один до одного, і області, де молекули витягуються далі один від одного. Відстань між послідовними стисками або розширеннями відомо як довжина хвилі. Частота вимірюється в одиницях Герц (Гц), а один Герц відповідає одній швидкості стиснення хвилі в секунду.

Люди можуть виявляти звукові хвилі з частотами від 20 до 20 000 Гц! Однак не всі вони звучать однаково. Деякі звуки високі і скрипучі, в той час як інші низькі і глибокі. Те, що ви насправді чуєте, – це різниця в частоті. Отже, як частота відноситься до довжини хвилі? Швидкість звуку трохи змінюється в залежності від температури повітря, але зазвичай вона становить близько 343 м/с. Оскільки всі звукові хвилі рухаються з однаковою швидкістю, частота буде зменшуватися в міру збільшення довжини хвилі і зростати при зменшенні довжини хвилі.

Шкідливий резонанс: приклади

Часто люди приймають мостобудування і безпеку як належне. Однак іноді відбуваються катастрофи, що змушують змінити свою точку зору. 1 липня 1940 року у Вашингтоні було відкрито міст Такома-Нерроуз. Це був підвісний міст, третій за величиною в світі для свого часу. Під час будівництва міст отримав прізвисько «Галопирование Герті» з-за того, як він хитався і згинався на вітрі. Це хвилеподібне коливання врешті-решт призвело до його краху. Міст звалився 7 листопада 1940 року під час бурі, всього через чотири місяці його експлуатації. Перш ніж дізнаватися про резонансній частоті і про те, що це пов’язано з катастрофою мосту Такома-Нерроуз, спочатку потрібно зрозуміти щось, зване гармонійним рухом.

Коли у вас є об’єкт, періодично коливається назад і вперед, ми говоримо, що він відчуває гармонійне рух. Один прекрасний приклад прояви резонансу, який має гармонійний рух, – вільна підвісна пружина з прикріпленою до неї масою. Маса змушує пружину розтягуватися вниз, поки врешті-решт не стискається пружина тому, щоб повернутися до своєї первісної форми. Цей процес продовжує повторюватися, і ми говоримо, що пружина знаходиться в гармонічному русі. Якщо ви подивіться відео з мосту Такома-Нерроуз, то побачите, що він вагався, перш ніж впав. Він проходив гармонійне рух, як пружина з прикріпленою до неї масою.

Резонанс та гойдалки

Якщо ви один раз толкнете свого друга на гойдалках, вони кілька разів будуть здійснювати коливальні рухи і через деякий час зупиняться. Ця частота, коли коливання мимовільно коливається, називається власною частотою. Якщо ви даєте поштовх кожен раз, коли ваш друг повертається до вас, він буде гойдатися все вище і вище. Ви натискаєте з частотою, аналогічної власній частоті, і амплітуда коливань зростає. Така поведінка називається резонансом.

Безсумнівно, це один з прикладів корисного резонансу. Серед інших нагрівання їжі в мікрохвильовій печі, антена на радіоприймачеві, що приймає радіосигнал, гра на флейті.

Насправді, є також безліч поганих прикладів. Руйнування скла високим тональним звуком, руйнування мосту легким вітерцем, обвалення будівель при землетрусах – все це приклади резонансу в житті, які не просто шкідливі, але й небезпечні, в залежності від сили впливу.

Руйнівна сила звуку

Багато хто, напевно, чули про те, що винний келих можна розбити голосом оперної співачки. Якщо ви злегка вдарите келих ложкою, він буде дзвонити, як дзвін, на своїй резонансній частоті. Якщо на скло виявляється звуковий тиск на певній частоті, воно починає вібрувати. По мірі того як стимул триває, вібрація в келиху накопичується до тих пір, поки він не зруйнується, коли будуть перевищені механічні межі.

Приклади корисного і шкідливого резонансу всюди. Мікрохвилі оточують все навколо, від мікрохвильової печі, яка розігріває їжу без застосування зовнішнього тепла, до вібрацій в земній корі, які призводять до руйнівних землетрусів.