Hvad er naturlig frekvens?

Naturlig frekvens er den hastighed, hvormed et objekt vibrerer, når det forstyrres (f.eks. plukket, snublet eller ramt). Et vibrerende objekt kan have en eller flere naturlige frekvenser. Enkle harmoniske oscillatorer kan bruges til at modellere den naturlige frekvens af et objekt.

Key takeaways: naturlig frekvens

I fysik, frekvens er en egenskab ved en bølge, der består af en række toppe og dale. En bølges frekvens refererer til antallet af gange et punkt på en bølge passerer et fast referencepunkt pr. Sekund.

Andre udtryk er forbundet med bølger, inklusive amplitude. En bølges amplitude henviser til højden af ​​disse toppe og dale, målt fra midten af ​​bølgen til det maksimale punkt for en top. En bølge med en højere amplitude har en højere intensitet. Dette har en række praktiske anvendelser. For eksempel vil en lydbølge med en højere amplitude blive opfattet som højere.

Således vil et objekt, der vibrerer ved sin naturlige frekvens, have en karakteristisk frekvens og amplitude blandt andre egenskaber.

Enkle harmoniske oscillatorer kan bruges til at modellere den naturlige frekvens af et objekt.

Et eksempel på en simpel harmonisk oscillator er en kugle i slutningen af ​​en fjeder. Hvis dette system ikke er forstyrret, er det i sin ligevægtsposition - fjederen er delvist strakt ud på grund af kuglens vægt. At påføre en kraft på fjederen, som at trække kuglen nedad, får fjederen til at begynde at svinge eller gå op og ned omkring dens ligevægtsposition.

Mere komplicerede harmoniske oscillatorer kan bruges til at beskrive andre situationer, såsom hvis vibrationerne "dæmpes" langsommere på grund af friktion. Denne type system er mere anvendelig i den virkelige verden - for eksempel vil en guitarstreng ikke fortsætte med at vibrere på ubestemt tid, efter at den er plukket.

Den naturlige frekvens f for den enkle harmoniske oscillator ovenfor er givet af

f = ω / (2π)

hvor ω, vinkelfrekvensen, er angivet med √ (k / m).

Her er k fjederkonstanten, der bestemmes af fjederværnets stivhed. Højere fjederkonstanter svarer til stivere fjedre.

m er kuglens masse.

Ser vi på ligningen, ser vi at:

• En lettere masse eller en stiver fjeder øger den naturlige frekvens.
• En tungere masse eller en blødere fjeder reducerer den naturlige frekvens.

Naturlige frekvenser er forskellige fra tvungne frekvenser, der opstår ved at anvende kraft på et objekt med en bestemt hastighed. Den tvungne frekvens kan forekomme med en frekvens, der er den samme som eller forskellig fra den naturlige frekvens.

• Når den tvungne frekvens ikke er lig med den naturlige frekvens, er amplituden af ​​den resulterende bølge lille.
• Når den tvungne frekvens er lig med den naturlige frekvens, siges systemet at opleve "resonans": amplituden af ​​den resulterende bølge er stor sammenlignet med andre frekvenser.

Et barn, der sidder på en gynge, der skubbes og derefter forlades alene, vil først svinge frem og tilbage et vist antal gange inden for en bestemt tidsramme. I løbet af denne tid bevæger svingen sig på sin naturlige frekvens.

For at få barnet til at svinge frit, skal de skubbes på netop det rigtige tidspunkt. Disse "rigtige tider" skal svare til svingens naturlige frekvens for at gøre swingoplevelsen resonans eller give det bedste svar. Gyngen får lidt mere energi med hvert skub.

Nogle gange er det ikke sikkert at anvende en tvungen frekvens svarende til den naturlige frekvens. Dette kan ske i broer og andre mekaniske strukturer. Når en dårligt designet bro oplever svingninger svarende til dens naturlige frekvens, kan den voldsomt svinge og blive stærkere og stærkere, når systemet får mere energi. Et antal af sådanne ”resonanskatastrofer” er blevet dokumenteret.

• Avison, John. Fysikens verden. 2. udgave, 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.
• Tutorial: Grundlæggende om vibration. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.