O que é frequência natural?

Frequência natural é a taxa na qual um objeto vibra quando é perturbado (por exemplo, arrancado, dedilhado ou atingido). Um objeto vibratório pode ter uma ou várias frequências naturais. Osciladores harmônicos simples podem ser usados ​​para modelar a frequência natural de um objeto.

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Na física, frequência é uma propriedade de uma onda, que consiste em uma série de picos e vales. A frequência de uma onda refere-se ao número de vezes que um ponto em uma onda passa um ponto de referência fixo por segundo.

Outros termos estão associados a ondas, incluindo amplitude. A amplitude de uma onda se refere à altura desses picos e vales, medidos do meio da onda até o ponto máximo de um pico. Uma onda com uma amplitude maior tem uma intensidade mais alta. Isso tem várias aplicações práticas. Por exemplo, uma onda sonora com uma amplitude maior será percebida como mais alta.

Assim, um objeto que vibra em sua frequência natural terá uma frequência e amplitude característica, entre outras propriedades.

Osciladores harmônicos simples podem ser usados ​​para modelar a frequência natural de um objeto.

Um exemplo de um oscilador harmônico simples é uma bola no final de uma mola. Se este sistema não foi perturbado, ele está em sua posição de equilíbrio - a mola é parcialmente esticada devido ao peso da bola. Aplicar uma força à mola, como puxar a bola para baixo, fará com que a mola comece a oscilar ou suba e desça sobre sua posição de equilíbrio.

Osciladores harmônicos mais complicados podem ser usados ​​para descrever outras situações, como se as vibrações são "amortecidas" desaceleram devido ao atrito. Esse tipo de sistema é mais aplicável no mundo real - por exemplo, uma corda de guitarra não fica vibrando indefinidamente depois de ter sido tocada.

A frequência natural f do oscilador harmônico simples acima é dada por

f = ω / (2π)

onde ω, a frequência angular, é dada por √ (k / m).

Aqui, k é a constante da mola, que é determinada pela rigidez da mola. As constantes mais altas da mola correspondem a molas mais rígidas.

m é a massa da bola.

Olhando para a equação, vemos que:

• Uma massa mais leve ou uma mola mais dura aumenta a frequência natural.
• Uma massa mais pesada ou uma mola mais macia diminui a frequência natural.

As frequências naturais são diferentes das frequências forçadas, que ocorrem aplicando força a um objeto a uma taxa específica. A frequência forçada pode ocorrer em uma frequência igual ou diferente da frequência natural.

• Quando a frequência forçada não é igual à frequência natural, a amplitude da onda resultante é pequena.
• Quando a frequência forçada é igual à frequência natural, diz-se que o sistema experimenta "ressonância": a amplitude da onda resultante é grande em comparação com outras frequências.

Uma criança sentada em um balanço que é empurrada e deixada sozinha, primeiro balança para frente e para trás um certo número de vezes dentro de um período de tempo específico. Durante esse período, o balanço está se movendo em sua frequência natural.

Para manter a criança balançando livremente, ela deve ser empurrada no momento certo. Esses “horários certos” devem corresponder à frequência natural do balanço para fazer com que o balanço experimente ressonância ou produza a melhor resposta. O balanço recebe um pouco mais de energia a cada impulso.

Às vezes, aplicar uma frequência forçada equivalente à frequência natural não é seguro. Isso pode acontecer em pontes e outras estruturas mecânicas. Quando uma ponte mal projetada sofre oscilações equivalentes à sua frequência natural, ela pode oscilar violentamente, tornando-se cada vez mais forte à medida que o sistema ganha mais energia. Vários desses "desastres por ressonância" foram documentados.

• Avison, John. O mundo da física. 2ª ed., Thomas Nelson e Sons Ltd., 1989.
• Richmond, Michael. Um exemplo de ressonância. Instituto de Tecnologia de Rochester, spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w5c/resonance_examples.html.
• Tutorial: Fundamentos de vibração. Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.