Čo je to prirodzená frekvencia?

Prirodzená frekvencia je rýchlosť, akou objekt vibruje, keď je narušený (napr. ošklbaný, ošúchaný alebo zasiahnutý). Vibračný objekt môže mať jednu alebo viac prirodzených frekvencií. Jednoduché harmonické oscilátory sa dajú použiť na modelovanie prirodzenej frekvencie objektu.

Kľúčové cesty: Prirodzená frekvencia

Vo fyzike kmitočet je vlastnosť vlny, ktorá pozostáva z radu vrcholov a údolí. Frekvencia vlny označuje, koľkokrát bod na vlne prejde pevným referenčným bodom za sekundu.

Ostatné výrazy sú spojené s vlnami vrátane amplitúdy. Amplitúda vlny sa vzťahuje na výšku týchto vrcholov a dolín, merané od stredu vlny po maximálny bod vrcholu. Vlna s vyššou amplitúdou má vyššiu intenzitu. Toto má množstvo praktických aplikácií. Napríklad zvuková vlna s vyššou amplitúdou bude vnímaná ako hlasnejšia.

Takže predmet, ktorý vibruje na svojej prirodzenej frekvencii, bude mať okrem iných vlastností charakteristickú frekvenciu a amplitúdu.

Jednoduché harmonické oscilátory sa dajú použiť na modelovanie prirodzenej frekvencie objektu.

Príkladom jednoduchého harmonického oscilátora je guľa na konci pružiny. Ak tento systém nebol narušený, je v rovnovážnej polohe - pružina je čiastočne natiahnutá kvôli hmotnosti lopty. Pri pôsobení sily na pružinu, ako napríklad pri ťahaní gule smerom nadol, sa pružina začne kmitať alebo ísť hore a dole okolo svojej rovnovážnej polohy.

Komplikovanejšie harmonické oscilátory sa dajú použiť na opis ďalších situácií, napríklad ak sú vibrácie „tlmené“ spomalením v dôsledku trenia. Tento typ systému je použiteľnejší v skutočnom svete - napríklad gitarová struna nebude trvať donekonečna po ošklbaní.

Prirodzená frekvencia f vyššie uvedeného jednoduchého harmonického oscilátora je daná vzťahom:

f = ω / (2π)

kde ω je uhlová frekvencia daná √ (k / m).

K je tu konštanta pružiny, ktorá je určená tuhosťou pružiny. Vyššie konštanty pružín zodpovedajú tuhším pružinám.

m je hmotnosť lopty.

Pri pohľade na rovnicu vidíme, že:

• Ľahšia hmota alebo tvrdšia pružina zvyšuje prirodzenú frekvenciu.
• Ťažšia hmota alebo mäkšia pružina znižujú prirodzenú frekvenciu.

Prirodzené frekvencie sa líšia od nútené frekvencie, ku ktorým dochádza pôsobením sily na konkrétny objekt. Nútená frekvencia sa môže vyskytovať pri frekvencii, ktorá je rovnaká alebo sa líši od prirodzenej frekvencie.

• Keď nútená frekvencia nie je rovná prirodzenej frekvencii, amplitúda výslednej vlny je malá.
• Keď sa vynútená frekvencia rovná prirodzenej frekvencii, v systéme sa uvádza „rezonancia“: amplitúda výslednej vlny je v porovnaní s ostatnými frekvenciami veľká.

Dieťa sediace na hojdačke, ktorá je tlačená a potom ponechaná sama, sa najskôr v určitom časovom rámci bude hojdať tam a späť. Počas tejto doby sa švih pohybuje svojou prirodzenou frekvenciou.

Aby sa dieťa voľne pohybovalo, musí sa tlačiť v správny čas. Tieto „správne časy“ by mali zodpovedať prirodzenej frekvencii kolísania, aby rezonancia kolíše tak, aby bola rezonančná alebo aby poskytovala najlepšiu odpoveď. Hojdačka pri každom stlačení dostane trochu viac energie.

Niekedy nie je bezpečné aplikovať nútenú frekvenciu ekvivalentnú prirodzenej frekvencii. To sa môže stať v mostoch a iných mechanických štruktúrach. Keď zle navrhnutý most zaznamená oscilácie ekvivalentné jeho prirodzenej frekvencii, môže sa násilne kývať, stať sa silnejším a silnejším, keď systém získa viac energie. Bolo zdokumentovaných množstvo takýchto „rezonančných katastrof“.

• Avison, John. Svet fyziky. 2. vydanie, Thomas Nelson a Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Príklad rezonancie. Rochesterský technologický inštitút, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Výukový program: Základy vibrácií. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.