Что такое естественная частота?

Собственная частота скорость, с которой объект вибрирует, когда его возмущают (например, щипком, ударом или ударом). Вибрирующий объект может иметь одну или несколько собственных частот. Простые гармонические осцилляторы могут быть использованы для моделирования собственной частоты объекта.

Ключевые выводы: естественная частота

В физике частота это свойство волны, которая состоит из ряда вершин и долин. Частота волны относится к числу раз, когда точка на волне проходит фиксированную контрольную точку в секунду.

Другие термины связаны с волнами, включая амплитуду. Амплитуда волны относится к высоте этих пиков и долин, измеренной от середины волны до максимальной точки пика. Волна с большей амплитудой имеет более высокую интенсивность. Это имеет ряд практических применений. Например, звуковая волна с большей амплитудой будет восприниматься как громче.

Таким образом, объект, который вибрирует на своей собственной частоте, будет иметь характерную частоту и амплитуду, среди других свойств.

Простые гармонические осцилляторы могут быть использованы для моделирования собственной частоты объекта.

Примером простого гармонического осциллятора является шар на конце пружины. Если эта система не была нарушена, она находится в своем положении равновесия - пружина частично растягивается из-за веса шара. Приложение силы к пружине, например, потянув шарик вниз, приведет к тому, что пружина начнет колебаться или подниматься и опускаться относительно своего положения равновесия.

Более сложные гармонические осцилляторы могут использоваться для описания других ситуаций, например, если вибрации «демпфируются», замедляются из-за трения. Этот тип системы более применим в реальном мире - например, гитарная струна не будет продолжать вибрировать бесконечно после того, как ее оторвут.

Собственная частота f приведенного выше простого гармонического осциллятора определяется как

f = ω / (2π)

где ω - угловая частота, определяется как √ (к / м).

Здесь k - это постоянная пружины, которая определяется жесткостью пружины. Более высокие постоянные пружины соответствуют более жестким пружинам.

м - масса мяча.

Глядя на уравнение, мы видим, что:

• Более легкая масса или более жесткая пружина увеличивает естественную частоту.
• Более тяжелая масса или более мягкая пружина уменьшают естественную частоту.

Собственные частоты отличаются от вынужденные частоты, которые происходят, применяя силу к объекту с определенной скоростью. Принудительная частота может возникать с частотой, которая равна или отличается от собственной частоты.

• Когда вынужденная частота не равна собственной частоте, амплитуда результирующей волны мала.
• Когда вынужденная частота равна собственной частоте, говорят, что система испытывает «резонанс»: амплитуда результирующей волны велика по сравнению с другими частотами.

Ребенок, сидящий на качелях, которые толкают, а затем оставляют в покое, сначала будет качаться вперед и назад определенное количество раз в течение определенного периода времени. В течение этого времени колебание движется с собственной частотой.

Чтобы ребенок мог свободно качаться, его нужно толкать как раз в нужное время. Эти «правильные времена» должны соответствовать естественной частоте колебаний, чтобы резонанс испытывал колебания или давать наилучший отклик. Свинг получает немного больше энергии с каждым толчком.

Иногда применение вынужденной частоты, эквивалентной собственной частоте, небезопасно. Это может происходить в мостах и ​​других механических конструкциях. Когда плохо спроектированный мост испытывает колебания, эквивалентные его собственной частоте, он может сильно колебаться, становясь все сильнее и сильнее по мере того, как система получает больше энергии. Ряд таких «резонансных катастроф» был задокументирован.

• Ависон, Джон. Мир физики. 2-е изд., Thomas Nelson and Sons Ltd., 1989.
• Ричмонд, Майкл. Пример резонанса. Рочестерский технологический институт, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Учебник: Основы вибрации. Корпорация Ньюпорт, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.