Какво е естествената честота?

Естествена честота е скоростта, с която обектът вибрира, когато е обезпокоен (напр. скубан, затрупан или ударен). Вибриращият обект може да има една или няколко естествени честоти. Прости хармонични осцилатори могат да се използват за моделиране на естествената честота на даден обект.

Ключови заведения: естествена честота

Във физиката, честота е свойство на вълна, което се състои от поредица от върхове и долини. Честотата на вълната се отнася до броя пъти, когато една точка на вълна преминава фиксирана референтна точка в секунда.

Други термини са свързани с вълни, включително амплитуда. Амплитудата на вълната се отнася до височината на тези върхове и долини, измерена от средата на вълната до максималната точка на върха. Вълна с по-голяма амплитуда има по-голяма интензивност. Това има редица практически приложения. Например звукова вълна с по-голяма амплитуда ще се възприема като по-силна.

По този начин обект, който вибрира с естествената си честота, ще има характерна честота и амплитуда, наред с други свойства.

Прости хармонични осцилатори могат да се използват за моделиране на естествената честота на даден обект.

Пример за обикновен хармоничен осцилатор е топка в края на пружина. Ако тази система не е била нарушена, тя е в равновесно положение - пружината е частично опъната поради теглото на топката. Прилагането на сила към пружината, като издърпване на топката надолу, ще доведе до това, че пружината ще започне да се колебае или да се движи нагоре и надолу около равновесното си положение.

По-сложните хармонични осцилатори могат да се използват за описване на други ситуации, като например, ако вибрациите са „заглушени“, забавят се поради триенето. Този тип система е по-приложима в реалния свят - например, китарната струна няма да продължава да вибрира за неопределено време, след като е била скубена.

Естествената честота f на простия хармоничен осцилатор по-горе е дадена от

f = ω / (2π)

където ω, ъгловата честота, се дава от √ (k / m).

Тук k е константата на пружината, която се определя от твърдостта на пружината. По-високите константи на пружината съответстват на по-твърдите пружини.

m е масата на топката.

Поглеждайки уравнението, виждаме, че:

• По-лека маса или по-твърда пружина увеличават естествената честота.
• По-тежката маса или по-меката пружина намаляват естествената честота.

Естествените честоти са различни от принудителни честоти, които възникват чрез прилагане на сила върху обект с определена скорост. Принудителната честота може да възникне с честота, която е същата или различна от естествената честота.

• Когато принудителната честота не е равна на естествената честота, амплитудата на получената вълна е малка.
• Когато принудителната честота е равна на естествената честота, се казва, че системата изпитва „резонанс“: амплитудата на получената вълна е голяма в сравнение с други честоти.

Дете, което седи на люлка, която е избутана и след това оставена сама, първо ще се люлее напред и назад определен брой пъти в рамките на определен период от време. През това време люлката се движи с естествената си честота.

За да не се люлее свободно детето, те трябва да бъдат натиснати в точното време. Тези „правилни времена“ трябва да съответстват на естествената честота на люлеенето, за да направят суинг изживяването резонанс или да дадат най-добър отговор. Люлката получава малко повече енергия с всяко натискане.

Понякога прилагането на принудителна честота, еквивалентна на естествената честота, не е безопасно. Това може да се случи в мостове и други механични конструкции. Когато лошо проектиран мост изпитва трептения, еквивалентни на естествената му честота, той може да се люлее, ставайки все по-силен и по-силен, тъй като системата печели повече енергия. Редица такива „резонансни бедствия“ са документирани.

• Ависън, Джон. Светът на физиката. 2-ро издание, Томас Нелсън и синове ООД, 1989.
• Ричмънд, Майкъл. Пример за резонанс. Rochester Institute of Technology, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Урок: Основи на вибрацията. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.