Kaj je naravna frekvenca?

Naravna frekvenca je hitrost, s katero objekt vibrira, ko ga moti (npr. odkrušen, strgan ali udarjen). Objekt, ki vibrira, ima lahko eno ali več naravnih frekvenc. Preprosti harmonski oscilatorji se lahko uporabljajo za modeliranje naravne frekvence predmeta.

Ključni odvzemi: naravna frekvenca

V fiziki je dr. frekvenco je lastnost vala, ki je sestavljena iz niza vrhov in dolin. Frekvenca vala se nanaša na število krat, ko točka na valu preide fiksno referenčno točko na sekundo.

Drugi izrazi so povezani z valovi, vključno z amplitudo. Amplituda vala se nanaša na višino teh vrhov in dolin, merjeno od sredine vala do največje točke vrha. Val z večjo amplitudo ima večjo intenzivnost. To ima številne praktične aplikacije. Na primer, zvočni val z večjo amplitudo bo zaznan kot glasnejši.

Tako bo predmet, ki vibrira na svoji naravni frekvenci, med drugimi lastnostmi značilno frekvenco in amplitudo.

Preprosti harmonski oscilatorji se lahko uporabljajo za modeliranje naravne frekvence predmeta.

Primer preprostega harmoničnega oscilatorja je kroglica na koncu vzmeti. Če ta sistem ni bil moten, je v ravnotežnem položaju - vzmet se delno raztegne zaradi teže kroglice. Če silo vzamete s silo, kot bi potegnili žogo navzdol, bo vzmet začela nihati ali se vrteti navzgor in navzdol okoli svojega ravnotežnega položaja.

Bolj zapleteni harmonski oscilatorji se lahko uporabijo za opis drugih situacij, na primer, če se vibracije zaradi trenja upočasnijo. Ta vrsta sistema je bolj uporabna v resničnem svetu - na primer, kitarska struna ne bo stalno vibrirala po tem, ko je bila zaskočena.

Naravna frekvenca f enostavnega harmoničnega oscilatorja je podana s

f = ω / (2π)

kjer je ω, kotna frekvenca, podana z √ (k / m).

Tu je k vzmetna konstanta, ki jo določimo togost vzmeti. Višje vzmetne konstante ustrezajo trdnejšim vzmetm.

m je masa kroglice.

Če pogledamo enačbo, vidimo, da:

• Lažja masa ali trdnejša vzmet povečuje naravno frekvenco.
• Težja masa ali mehkejša vzmet zmanjšuje naravno frekvenco.

Naravne frekvence se razlikujejo od prisilne frekvence, ki se pojavijo z uporabo sile na predmet z določeno hitrostjo. Prisilna frekvenca se lahko pojavi pri frekvenci, ki je enaka ali drugačna od naravne frekvence.

• Kadar prisilna frekvenca ni enaka naravni frekvenci, je amplituda nastalega vala majhna.
• Ko je prisilna frekvenca enaka naravni frekvenci, naj bi sistem doživel "resonanco": amplituda nastalega vala je velika v primerjavi z drugimi frekvencami.

Otrok, ki sedi na gugalnici, ki jo potisnemo in nato pustimo pri miru, bo najprej določeno število zamahnil naprej in nazaj v določenem časovnem okviru. V tem času se gugalnica premika s svojo naravno frekvenco.

Da se otrok prosto giblje, jih je treba potisniti ob pravem času. Ti "pravi časi" bi morali ustrezati naravni frekvenci zamaha, da bi gugalnica doživela resonanco ali dala najboljši odziv. Zamah z vsakim pritiskom dobi malo več energije.

Včasih uporaba prisilne frekvence, ki je enaka naravni frekvenci, ni varna. To se lahko zgodi v mostovih in drugih mehanskih konstrukcijah. Kadar slabo zasnovan most doživi nihanja, enakovredna njegovi naravni frekvenci, se lahko silovito zasuje in postaja močnejša in močnejša, ko sistem pridobiva več energije. Številne take resonančne katastrofe so bile dokumentirane.

• Avison, John. Svet fizike. 2. izd., Thomas Nelson in Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Primer resonance. Rochester Institute of Technology, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Vadnica: Osnove vibracij. Korporacija Newport, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.