Mikä on luonnollinen taajuus?

Luonnollinen taajuus on nopeus, jolla esine värähtelee häiriintyessä (esim. kynitty, iskutettu tai osuma). Tärisevällä esineellä voi olla yksi tai useampi luonnollinen taajuus. Objektin luonnollista taajuutta voidaan mallintaa yksinkertaisilla harmonisilla oskillaattoreilla.

Tärkeimmät takeaways: Luonnollinen taajuus

Fysiikassa taajuus on aallon ominaisuus, joka koostuu sarjasta piikkejä ja laaksoja. Aallon taajuus viittaa siihen, kuinka monta kertaa aallon piste kulkee kiinteän vertailupisteen sekunnissa.

Muut termit liittyvät aaltoihin, mukaan lukien amplitudi. Aallon amplitudi viittaa näiden piikkien ja laaksojen korkeuteen, mitattuna aallon keskeltä huipun maksimipisteeseen. Aallolla, jolla on suurempi amplitudi, on suurempi intensiteetti. Tällä on useita käytännön sovelluksia. Esimerkiksi korkeamman amplitudin ääniaallon katsotaan kovemmaksi.

Siten luonnollisella taajuudellaan värisevällä esineellä on ominaistajuus ja amplitudi muun muassa.

Objektin luonnollista taajuutta voidaan mallintaa yksinkertaisilla harmonisilla oskillaattoreilla.

Esimerkki yksinkertaisesta harmonisesta oskillaattorista on pallo jousen päässä. Jos tätä järjestelmää ei ole häiritty, se on tasapainossa - jousi on osittain venytetty pallon painon vuoksi. Voiman kohdistaminen jouseen, kuten pallon vetäminen alaspäin, saa jousen alkamaan värähtelemään tai menemään ylös ja alas kohti tasapainoasentoaan.

Monimutkaisempia harmonisia oskillaattoreita voidaan käyttää kuvaamaan muita tilanteita, esimerkiksi jos värähtelyt “vaimentuvat” hidastuvat kitkan vuoksi. Tämän tyyppinen järjestelmä soveltuu paremmin reaalimaailmaan - esimerkiksi kitaran kieli ei pysy värähtelemättä loputtomiin sen jälkeen, kun se on kynitty.

Yllä olevan yksinkertaisen harmonisen oskillaattorin luonnollinen taajuus f on annettu muodolla

f = ω / (2π)

missä ω, kulmataajuus, saadaan √ (k / m).

Tässä k on jousvakio, jonka määrää jousen jäykkyys. Suuremmat jousivakiot vastaavat jäykempiä jousia.

m on pallon massa.

Tarkasteltaessa yhtälöä näemme, että:

• Kevyempi massa tai jäykempi jousi lisää luonnollista taajuutta.
• Raskaampi massa tai pehmeämpi jousi pienentää luonnollista taajuutta.

Luonnolliset taajuudet eroavat pakotetut taajuudet, jotka tapahtuvat kohdistamalla voimaa esineelle tietyllä nopeudella. Pakotettu taajuus voi tapahtua taajuudella, joka on sama tai erilainen kuin luonnollinen taajuus.

• Kun pakotettu taajuus ei ole yhtä suuri kuin luonnollinen taajuus, syntyvän aallon amplitudi on pieni.
• Kun pakotettu taajuus on yhtä suuri kuin luonnollinen taajuus, järjestelmän sanotaan kokevan ”resonanssia”: tuloksena olevan aallon amplitudi on suuri verrattuna muihin taajuuksiin.

Lapsi, joka istuu keinulla, joka työnnetään ja sitten jätetään yksin, keinuu ensin edestakaisin tietyn määrän kertoja tietyssä ajassa. Tänä aikana keinu liikkuu luonnollisella taajuudellaan.

Jotta lapsi voi heilua vapaasti, sitä on työnnettävä oikeaan aikaan. Näiden "oikeiden aikojen" tulee vastata heilautuksen luonnollista taajuutta, jotta heijastuskokemus resonanssi tai paras vastaus saadaan. Keinu saa vähän enemmän energiaa jokaisella painalluksella.

Joskus luonnollista taajuutta vastaavan pakotetun taajuuden käyttäminen ei ole turvallista. Näin voi tapahtua silloissa ja muissa mekaanisissa rakenteissa. Kun huonosti suunniteltu silta kokee värähtelyjä, jotka vastaavat sen luonnollista taajuutta, se voi kiihtyä voimakkaasti, muuttua entistä vahvemmaksi, kun järjestelmä saa enemmän energiaa. Useita tällaisia ​​”resonanssikatastrofeja” on dokumentoitu.

• Avison, John. Fysiikan maailma. 2. painos, Thomas Nelson ja Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Esimerkki resonanssista. Rochester Institute of Technology, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshop/w5c/resonance_examples.html.
• Opetusohjelma: Tärinän perusteet. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.