Tout le monde connaît le vieux trope où un chanteur d'opéra puissant frappe la bonne note et un verre de cristal se brise du bruit, mais est-ce vraiment possible? La situation peut sembler farfelue, comme quelque chose que vous seriez beaucoup plus susceptible de voir dans des films ou des dessins animés que dans la vraie vie.

En fait, le phénomène de résonance
signifie qu'il est techniquement possible dans la vie réelle, que la fréquence de résonance (celle qui correspond à la fréquence naturelle du verre) soit produite par la voix de quelqu'un ou par un ou plusieurs instruments de musique.

En savoir plus sur la résonance vous permet de comprendre comment fonctionne le son, les principes qui sous-tendent de nombreux instruments de musique et comment augmenter ou diminuer le mouvement dans un système mécanique comme une balançoire ou un pont de corde.
Définition de la résonance

Le mot résonance
provient à l'origine du latin resonantia
, qui signifie "écho", et il est étroitement lié au son, ce qui signifie renvoyer un écho ou "son à nouveau". Ces deux définitions se rapportent déjà aux ondes sonores et donnent vous une image de base de la signification du mot en physique aussi.

Cependant , plus précisément, la définition de la résonance en physique est lorsque la fréquence d'une oscillation ou d'une vibration externe correspond à la fréquence naturelle d'un objet (ou de la cavité)
, et par conséquent, la fait vibrer ou augmente son amplitude de oscillation.

Dans les systèmes mécaniques, la résonance fait référence à l'amplification, au renforcement ou à la prolongation du son ou d'autres vibrations. Tout comme dans la définition ci-dessus, cela nécessite qu'une force périodique externe soit appliquée à une fréquence égale à la fréquence naturelle de mouvement de l'objet, parfois appelée fréquence de résonance.

Tous les objets ont une fréquence naturelle ou la fréquence de résonance, que vous pouvez considérer comme la fréquence à laquelle l'objet «aime» vibrer. Par exemple, si vous tapez sur un verre en cristal avec un ongle, il commencera à vibrer à sa fréquence de résonance et produira un «ting» avec une hauteur correspondante. La fréquence des vibrations dépend des propriétés physiques de l'objet, et vous pouvez le prédire assez bien pour certaines choses comme une corde tendue.
Exemples de résonance - Résonance sonore

Apprendre quelques exemples de résonance vous aider à comprendre les différentes formes de résonance que vous rencontrez dans votre vie de tous les jours. L'exemple le plus courant et le plus simple est celui des ondes sonores, car lorsque vous faites vibrer vos cordes vocales à la bonne fréquence (pour la cavité de votre gorge et de votre bouche), vous pouvez produire des tonalités vocales et musicales que d'autres personnes peuvent entendre.

La vibration de vos cordes vocales produit des ondes sonores, qui sont vraiment des ondes de pression dans l'air composées de sections compressées alternées (avec une densité supérieure à la moyenne) et de raréfactions (avec une densité inférieure à la moyenne).

La plupart des instruments de musique fonctionnent de la même manière. Par exemple, dans un instrument à vent, la vibration des lèvres du joueur contre l'embout buccal crée la vibration initiale, et lorsque celle-ci correspond à la fréquence de résonance (ou à un multiple de celle-ci) pour la taille du tuyau dans lequel il souffle, il y a la résonance, et l'amplitude de l'oscillation augmente notablement et produit un son audible.

Dans les instruments à vent, il y a un "anche" qui vibre au fur et à mesure que l'air passe dessus, et encore le même processus de résonance et d'amplification tourne cette petite vibration dans un ton musical audible. Les instruments à cordes comme une guitare sont un peu différents, mais les cordes ont une fréquence de vibration résonnante, et les ondes sonores produites résonnent dans la cavité (par exemple, dans l'espace dans le corps d'une guitare acoustique) pour augmenter le bruit.

Un exemple plus simple est lorsque vous déposez un outil ou une plaque sur le sol. Le bruit produit est provoqué par l'outil ou la plaque qui vibre à sa fréquence de résonance. Cette façon plus simple de générer du son est utilisée par des diapasons soigneusement conçus, qui sont conçus de manière à produire une hauteur spécifique comme leur fréquence naturelle, sur laquelle les musiciens peuvent ensuite accorder leurs instruments.
Exemples de résonance - Résonance mécanique

Bien que la résonance soit généralement utilisée pour désigner les ondes sonores, la résonance mécanique est à certains égards plus facile à comprendre. Un exemple simple est un enfant qui apprend à pomper une balançoire pour la première fois. Le mouvement oscillatoire de la balançoire a une fréquence naturelle, et lorsque l'enfant apprend à pousser (c'est-à-dire à appliquer une force périodique) à la fréquence naturelle de la balançoire, sa poussée devient beaucoup plus efficace. En conséquence, l'amplitude d'oscillation du swing augmente et la personne assise dessus augmente à chaque fois.

Frapper la fréquence naturelle d'un objet n'est pas toujours une bonne chose. Par exemple, des soldats marchant à l'unisson sur un pont de corde pourraient le faire vibrer de façon incontrôlable et même s'effondrer s'ils marchent à sa fréquence naturelle. Dans des cas comme celui-ci, le général pourrait leur demander de «casser l'étape» afin de ne pas appliquer une force périodique à la fréquence naturelle du pont.

Des conceptions de pont encore plus stables ont des fréquences de résonance, mais cela seulement cause un problème dans des causes rares (comme avec le pont suspendu de Broughton, un pont en Angleterre qui s'est effondré en 1831, soi-disant en raison de soldats marchant pas à pas sur le pont).

Les horloges analogiques dépendent également de la résonance mécanique et la fréquence naturelle d'un composant pour garder le temps. Par exemple, les horloges à pendule utilisent la fréquence naturelle de l'oscillation du pendule pour garder le temps, et un balancier fonctionne sur le même principe de base. Même les horloges en cristal de quartz dépendent de la fréquence de résonance, mais dans ce cas, le cristal régule l'oscillation d'un oscillateur électronique, ce qui améliore considérablement la précision par rapport aux conceptions plus simples.
Autres exemples de résonance

Il existe de nombreux d'autres formes de résonance aussi, et toutes fonctionnent sur le même principe de base. Deux autres exemples de résonance que vous connaissez sont liés aux oscillations électromagnétiques plutôt qu'aux oscillations mécaniques. Le premier est votre micro-ondes.

Les ondes produites par le micro-ondes produisent de la chaleur dans vos aliments parce que leur fréquence correspond à la fréquence de résonance des molécules à l'intérieur des aliments (par exemple, l'eau et les molécules de graisse), ce qui les fait osciller et ensuite libérer de l'énergie sous forme de chaleur.

Un autre exemple est l'antenne de votre téléviseur ou même une antenne radio. Ces appareils sont conçus pour maximiser l'absorption des rayonnements électromagnétiques et lorsque vous «réglez» l'antenne sur une fréquence spécifique, vous ajustez la fréquence de résonance de l'appareil. Lorsque la fréquence de l'antenne correspond à la fréquence du signal entrant, elle résonne et votre téléviseur ou radio "capte" le signal.
Alors, comment le cristal se brise-t-il?

Maintenant que vous comprenez la clé points sur la définition de la résonance et ce qu'est une fréquence de résonance, vous pouvez comprendre l'exemple classique d'un chanteur réussissant à briser un verre de cristal en chantant à la bonne hauteur. Le verre a une fréquence de résonance, et si le chanteur produit un son avec une fréquence correspondante, le verre commencera à vibrer. C'est ce qu'on appelle une vibration sympathique
parce qu'avant que le chanteur fasse du bruit, le verre était complètement immobile.

Au début, il peut y avoir une petite vibration dans le verre, mais en fait briser nécessite une note soutenue et forte à la bonne fréquence. Si le chanteur peut le faire, l'amplitude d'oscillation du verre augmente et finit par compromettre l'intégrité structurelle du verre. Ce n'est qu'à ce stade - lorsque la note a été maintenue assez longtemps pour que les vibrations du verre atteignent l'amplitude maximale qu'elle peut supporter - que le verre se brisera réellement.