Vísindavefurinn: Hvað er herma og hvernig er hægt að brjóta gler með henni?

Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

Hlusta

Herma (e. resonance) er það kallað þegar hlutur er sérstaklega næmur fyrir sveiflum sem eru á þröngu tíðnibili og svarar þeim á einhvern tiltekinn hátt. Ef lesandinn tekur sér í hönd lóð í bandi eða bara ílangan hlut og lætur hann sveiflast með því að hreyfa höndina, þá sér hann fljótt að stærð sveiflunnar er algerlega háð því hversu ört höndin er hreyfð. Ef við sveiflum höndinni hægt verður sveifla lóðsins lítil og sömuleiðis ef við sveiflum ótt og títt. Ef við hittum hins vegar á þá sveiflutíðni sem hentar hlutnum getum við byggt upp mikla sveiflu. Þessa tíðni köllum við eigintíðni (eigenfrequency) hlutarins eða kerfisins.

Herma lýsir sér meðal annars þannig að hlutur eykur orku eigin sveiflu eða titrings vegna áhrifa frá orku úr annarri sveiflu sem annar hlutur orsakar og hefur þá tíðni sem við á. Þegar hlutir hafa gagnkvæm áhrif hvor á annað þá kallast það víxlverkun (e. interaction). Líta má á hermu sem dæmi um víxlverkun.

Ef titrandi eða sveiflandi hlutur kemur nálægt öðrum hlut sem hefur sömu eigintíðni og sveiflan þá byrjar síðari hluturinn einnig að sveiflast eða titra. Hluturinn tekur til sín orku á eigintíðni sinni með tilhneigingu til að ná hámarksútslagi og er það herma. Þá geta sveiflurnar orðið stórar með mikla orku þótt orkan í upphaflegu bylgjunni sé lítil. Dæmi um hermu er þegar ýtt er á rólu með þeim takti sem henni eru eiginlegur, með þeim afleiðingum að hún sveiflast sífellt hærra. Að lokum nær sveiflan ákveðnu hámarki. Ef ýtt væri á róluna með öðrum takti þá yki viðbótarorkan ekki orku sveiflunnar og þá væri ekki um hermu að ræða.

Til þess að herma geti átt sér stað verður deyfing (e. damping) sveiflunnar að vera lítil, en deyfing er tilhneiging hlutar til að minnka víddina í sveiflu sinni og þar af leiðandi orkuna í sveiflunni, yfirleitt vegna núnings (e. friction).

Kristalglös geta brotnað vegna hljóðs ef tíðni hljóðsins er sú sama og eigintíðni glasanna og ef hljóðstyrkurinn er nægur.

Hermur koma víða við sögu. Örbylgjuofnar nota hermu til að framleiða örbylgjur og titringur kvarskristalla er notaður sem herma í armbandsúrum. Herma getur einnig haft slæmar eða óæskilegar afleiðingar. Ef margir ganga yfir brú í takt sem samsvarar eigintíðni brúarinnar þá getur það leitt til þess að hún hrynji. Þess vegna er hermönnum ætíð skipað að hætta að ganga í takt þegar þeir ganga yfir brýr. Í dag eru brýr hins vegar oftast byggðar með mikilli deyfingu og án vel afmarkaðrar eigintíðni til þess að herma verði síður völd að skemmdum.

Göngubrúin yfir Hringbraut við enda Hljómskálagarðsins hefur til dæmis eigintíðnina 3 Hz. Það þýðir að á hverri sekúndu sveiflast hún lítillega 3 lóðréttar sveiflur. Ef hlaupið er yfir brúna með skrefatíðninni 3 skref á sekúndu þá myndi herma koma fram og sveifla brúarinnar aukast. Ef margir menn gerðu þetta samtímis og allir með sömu tíðni myndi reyna á styrkleika brúarinnar. Það færi síðan eftir deyfingu brúarinnar hversu mikið hún þyldi áður en hún færi að skemmast.

Hljóð sem hefur sömu eigintíðni og tiltekið glas getur valdið því að glerið brotni en það veltur á nokkrum atriðum.

Í fyrsta lagi skiptir gerð glersins máli. Gler í rúðum og í glösum er frekar mjúkt og titrar því illa og hefur því ekki sterka eigintíðni vegna þess að dempunin er mikil. Kristallur væri betri þar sem hann titrar vel og er sterkari en venjulegt gler. Margir þekkja að hægt er að búa til sæmilega hreinan tón með því að slá rétt í kristallsglas með skeið og er tíðni hljóðsins eigintíðni kristallsins.

Í öðru lagi er eintóna hljóð líklegra til að hafa þessi áhrif og því væri auðveldara fyrir söngvara með hreina rödd en mann sem öskrar að valda þessu. Eigintíðni glasa er milli 1-10 kHz eftir stærð og lögun glassins. Hún er því á því tíðnibili sem við heyrum og getum einnig búið til með raddfærum okkar.

Í þriðja lagi skiptir hljóðstyrkurinn máli. Ef vel er hlustað eftir þeim tóni sem kristallsglas gefur frá sér og sá tónn síðan sunginn hátt þá leiðir það til þess að kristallsglasið titrar. Ef tóninum er haldið með sömu tíðni nógu lengi með nógu miklum styrk þá leiðir það á endanum til þess að kristallsglasið mölbrotnar. Í daglegu lífi eru það einungis mjög hávær sprengihljóð sem geta sprengt venjulegt gler. Hljóðstyrkur sem er 130-160 dB gæti því sprengt þunnt glerglas. Þó veltur það á mörgum þáttum eins og nefndir voru. Hljóðstyrkur yfir 140 dB veldur mönnum sársauka auk varanlegra skemmda á heyrn.

Heimildir og mynd:

Frekara lesefni á Vísindavefnum:

Hvað er eigintíðni? eftir Birgi Urbancic Ásgeirsson
Hvað merkir mælieiningin desíbel og við hvað miðast hún? eftir Einar Örn Þorvaldsson og Þorstein Vilhjálmsson
Hver er munurinn á hljóði og útvarpsbylgjum? eftir Þorstein Vilhjálmsson

Upprunalega hljóðaði spurningin svona:

Hvernig myndar maður það háa tíðni að maður geti sprengt glas?

Senda grein til vinar

Sendu inn spurningu

Hvað er herma og hvernig er hægt að brjóta gler með henni?

Höfundar

Útgáfudagur

Spyrjandi

Efnisorð

Tilvísun

Senda grein til vinar

Sendu inn spurningu

Hvað er herma og hvernig er hægt að brjóta gler með henni?

Höfundar

Útgáfudagur

Spyrjandi

Efnisorð

Tilvísun

Deila

Senda grein til vinar