Τι είναι η φυσική συχνότητα;

Φυσική συχνότητα είναι ο ρυθμός με τον οποίο ένα αντικείμενο δονείται όταν διαταράσσεται (π.χ. απομυζάρεται, χτυπάει ή χτυπά). Ένα δονούμενο αντικείμενο μπορεί να έχει μία ή περισσότερες φυσικές συχνότητες. Απλοί αρμονικοί ταλαντωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μοντελοποιήσουν τη φυσική συχνότητα ενός αντικειμένου.

Βασικές τακτικές: Φυσική συχνότητα

Στη φυσική, συχνότητα είναι μια ιδιότητα ενός κύματος, το οποίο αποτελείται από μια σειρά κορυφών και κοιλάδων. Η συχνότητα ενός κύματος αναφέρεται στον αριθμό των στιγμών που ένα σημείο σε ένα κύμα περνά ένα σταθερό σημείο αναφοράς ανά δευτερόλεπτο.

Άλλοι όροι σχετίζονται με κύματα, συμπεριλαμβανομένου του πλάτους. Το πλάτος του κύματος αναφέρεται στο ύψος των κορυφών και των κοιλάδων, που μετράται από το μέσο του κύματος μέχρι το μέγιστο σημείο της κορυφής. Ένα κύμα με μεγαλύτερο πλάτος έχει υψηλότερη ένταση. Αυτό έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, ένα ηχητικό κύμα με υψηλότερο πλάτος θα γίνει αντιληπτό ως πιο δυναμικό.

Έτσι, ένα αντικείμενο που δονείται με τη φυσική του συχνότητα θα έχει μια χαρακτηριστική συχνότητα και εύρος, μεταξύ άλλων ιδιοτήτων.

Απλοί αρμονικοί ταλαντωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μοντελοποιήσουν τη φυσική συχνότητα ενός αντικειμένου.

Ένα παράδειγμα ενός απλού αρμονικού ταλαντωτή είναι μια μπάλα στο τέλος ενός ελατηρίου. Εάν το σύστημα αυτό δεν έχει διαταραχθεί, βρίσκεται στη θέση ισορροπίας του - το ελατήριο είναι εν μέρει απλωμένο λόγω του βάρους της μπάλας. Εφαρμόζοντας μια δύναμη στο ελατήριο, όπως τράβηγμα της μπάλας προς τα κάτω, το ελατήριο θα αρχίσει να ταλαντεύεται ή να ανεβαίνει προς τα κάτω, γύρω από τη θέση ισορροπίας του.

Πιο περίπλοκοι αρμονικοί ταλαντωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν άλλες καταστάσεις, όπως εάν οι δονήσεις "αποσβένονται" επιβραδύνονται λόγω τριβής. Αυτός ο τύπος συστήματος είναι πιο εφαρμόσιμος στον πραγματικό κόσμο - για παράδειγμα, μια συμβολοσειρά κιθάρας δεν θα συνεχίσει να δονείται επ 'αόριστον μετά την απομάκρυνσή της.

Η φυσική συχνότητα f του απλού αρμονικού ταλαντωτή παραπάνω δίνεται από

f = ω / (2π)

όπου ω, η γωνιακή συχνότητα, δίνεται με √ (k / m).

Εδώ, k είναι η σταθερά ελατηρίου, η οποία καθορίζεται από την ακαμψία της πηγής. Οι υψηλότερες σταθερές του ελατηρίου αντιστοιχούν σε σκληρότερα ελατήρια.

m είναι η μάζα της μπάλας.

Κοιτάζοντας την εξίσωση, βλέπουμε ότι:

• Μία ελαφρύτερη μάζα ή ένα σκληρότερο ελατήριο αυξάνει τη φυσική συχνότητα.
• Μια βαρύτερη μάζα ή μια μαλακότερη άνοιξη μειώνει τη φυσική συχνότητα.

Οι φυσικές συχνότητες είναι διαφορετικές από αυτές εξαναγκασμένες συχνότητες, που συμβαίνουν εφαρμόζοντας δύναμη σε ένα αντικείμενο με συγκεκριμένο ρυθμό. Η αναγκαστική συχνότητα μπορεί να λάβει χώρα σε μια συχνότητα η οποία είναι ίδια ή διαφορετική από τη φυσική συχνότητα.

• Όταν η εξαναγκασμένη συχνότητα δεν είναι ίση με τη φυσική συχνότητα, το πλάτος του προκύπτοντος κύματος είναι μικρό.
• Όταν η εξαναγκασμένη συχνότητα ισούται με τη φυσική συχνότητα, το σύστημα λέγεται ότι έχει «συντονισμό»: το πλάτος του προκύπτοντος κύματος είναι μεγάλο σε σύγκριση με άλλες συχνότητες.

Ένα παιδί που κάθεται σε μια ταλάντευση που ωθείται και στη συνέχεια αφήνεται μόνη της θα αρχίσει να περιστρέφεται εμπρός και πίσω μια ορισμένη φορά μέσα σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ταλάντευση κινείται με τη φυσική της συχνότητα.

Για να κρατήσετε το παιδί να ταλαντεύεται ελεύθερα, πρέπει να ωθούνται ακριβώς την κατάλληλη στιγμή. Αυτοί οι "σωστοί χρόνοι" πρέπει να αντιστοιχούν στη φυσική συχνότητα της ταλάντευσης για να κάνουν την εμπειρία της ταλάντευσης ή να δώσουν την καλύτερη ανταπόκριση. Η κούνια δέχεται λίγο περισσότερη ενέργεια με κάθε ώθηση.

Μερικές φορές, η εφαρμογή μιας αναγκαστικής συχνότητας ισοδύναμης με τη φυσική συχνότητα δεν είναι ασφαλής. Αυτό μπορεί να συμβεί σε γέφυρες και άλλες μηχανικές δομές. Όταν μια κακώς σχεδιασμένη γέφυρα βιώνει ταλαντώσεις ισοδύναμες με τη φυσική της συχνότητα, μπορεί να κυριαρχεί βίαια, να γίνεται ισχυρότερη και ισχυρότερη καθώς το σύστημα αποκτά περισσότερη ενέργεια. Έχουν τεκμηριωθεί ορισμένες τέτοιες "καταστροφές συντονισμού".

• Avison, John. Ο κόσμος της φυσικής. 2nd ed., Thomas Nelson and Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Ένα παράδειγμα συντονισμού. Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Rochester, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Εκμάθηση: Βασικές αρχές δόνησης. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.