Hva er naturlig frekvens?

Naturlig frekvens er hastigheten som et objekt vibrerer når det blir forstyrret (f.eks. plukket, snublet eller truffet). Et vibrerende objekt kan ha en eller flere naturlige frekvenser. Enkle harmoniske oscillatorer kan brukes til å modellere den naturlige frekvensen til et objekt.

Viktige takeaways: naturlig frekvens

I fysikk, Frekvens er en egenskap til en bølge, som består av en serie topper og daler. En bølges frekvens refererer til antall ganger et punkt på en bølge passerer et fast referansepunkt per sekund.

Andre uttrykk er assosiert med bølger, inkludert amplitude. En bølges amplitude refererer til høyden på disse toppene og dalene, målt fra midten av bølgen til det maksimale punktet for en topp. En bølge med høyere amplitude har høyere intensitet. Dette har en rekke praktiske bruksområder. For eksempel vil en lydbølge med høyere amplitude bli oppfattet som høyere.

Dermed vil et objekt som vibrerer med sin naturlige frekvens ha en karakteristisk frekvens og amplitude, blant andre egenskaper.

Enkle harmoniske oscillatorer kan brukes til å modellere den naturlige frekvensen til et objekt.

Et eksempel på en enkel harmonisk oscillator er en ball på slutten av en fjær. Hvis dette systemet ikke har blitt forstyrret, er det i sin likevektsposisjon - fjæren er delvis strukket ut på grunn av ballens vekt. Å bruke en kraft på fjæren, som å trekke ballen nedover, vil føre til at fjæren begynner å svinge, eller gå opp og ned, om likevektsposisjonen.

Mer kompliserte harmoniske oscillatorer kan brukes til å beskrive andre situasjoner, for eksempel om vibrasjonene "dempes" sakte på grunn av friksjon. Denne typen systemer er mer anvendelige i den virkelige verden - for eksempel vil en gitarstreng ikke fortsette å vibrere på ubestemt tid etter at den er plukket ut.

Den naturlige frekvensen f av den enkle harmoniske oscillatoren ovenfor er gitt av

f = ω / (2π)

der ω, vinkelfrekvensen, er gitt av √ (k / m).

Her er k fjærkonstanten, som bestemmes av vårens stivhet. Høyere vårkonstanter tilsvarer stivere fjærer.

m er ballens masse.

Når vi ser på ligningen, ser vi at:

• En lettere masse eller en stivere fjær øker naturlig frekvens.
• En tyngre masse eller en mykere vår reduserer naturlig frekvens.

Naturlige frekvenser er forskjellige fra tvangsfrekvenser, som oppstår ved å bruke kraft på et objekt med en spesifikk hastighet. Den tvungne frekvensen kan oppstå med en frekvens som er den samme som eller forskjellig fra den naturlige frekvensen.

• Når den tvungne frekvensen ikke er lik den naturlige frekvensen, er amplituden til den resulterende bølgen liten.
• Når den tvungne frekvensen er lik den naturlige frekvensen, sies systemet å oppleve "resonans": amplituden til den resulterende bølgen er stor sammenlignet med andre frekvenser.

Et barn som sitter på en sving som skyves og deretter blir liggende alene, vil først svinge frem og tilbake et visst antall ganger innenfor en bestemt tidsramme. I løpet av denne tiden beveger svingen seg på sin naturlige frekvens.

For å få barnet til å svinge fritt, må de skyves til rett tid. Disse "riktige tider" skal samsvare med den naturlige frekvensen av svingen for å gjøre svingopplevelsen resonans, eller gi den beste responsen. Svingingen får litt mer energi med hvert trykk.

Noen ganger er det ikke trygt å bruke en tvungen frekvens som tilsvarer den naturlige frekvensen. Dette kan skje i broer og andre mekaniske konstruksjoner. Når en dårlig designet bro opplever svingninger som tilsvarer dens naturlige frekvens, kan den voldsomt svinge, bli sterkere og sterkere etter hvert som systemet får mer energi. Flere slike "resonanskatastrofer" er dokumentert.

• Avison, John. Fysikkens verden. 2. utg., Thomas Nelson og Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Et eksempel på resonans. Rochester Institute of Technology, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Opplæring: Grunnleggende om vibrasjon. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.