Svar:
Begreppet resonans definieras som:

Resonans är ett allmänt fenomen hos oscillerande eller vibrerande system som innebär att även en svag periodisk yttre störning (pådrivande kraft) nära systemets egenfrekvens kan leda till att systemets svängningsamplitud, accelerationer och energiinnehåll ökar kraftigt. Ökningen beror av frekvensen och blir maximal då frekvensen är nära lika med det odämpade systemets egenfrekvens. Resonans

För att förstå resonans ska vi ta ett enkelt exempel. Ett barn gungar och någon "puttar på". Gungan svänger av sig själv med en viss takt (se fråga [14065] för perioden för en plan pendel). För att "påputtningen" ska vara effektiv måste den ske i takt med gungans svängningsrörelse i samma riktning som gungans rörelse, alltså en gång per svängning (eller alternativt en gång på N=2,3,4... svängningar). Då överförs energi till gungan och utslaget ökar. Om man puttar på i otakt är det lika sannolikt att man bromsar rörelsen, så puttandet blir i medeltal utan effekt.

Alltså: Vill man överföra energi till ett svängande system så ska man göra det i takt med systemets egen svängning.

Experiment: Håll nere en tangent på ett piano så att det inte låter något. Slå sedan på andra tangenter och se när du kan få strängen på den nedtryckta tangenten att låta!

Nu till stämgaffeln. Svängningarna från stämgaffeln sätter igång svängningar i resonanslådan. Energin till detta kommer från stämgaffeln. Resonanslådan har mycket bättre kontakt med luften än stämgaffeln (ytan är ju större), så överföringen av energi från stämgaffeln till luften (ljud) blir effektivare med en resonanslåda.

Testa: Undersök hur länge en stämgaffel ljuder om den är respektive inte är kopplad till en resonanslåda.
/Gunnar O/lpe 1998-11-06

Svar:
Det var en intressant fråga Du kommer med! Vi tycker det är roligt när man som Du observerar intressanta saker som har fysikanknytning i vardagen.

Det är inte lätt att finna någon enkel förklaring till fenomenet. Men låt oss gå igenom tänkbara orsaker. När chokladen hälls i koppen så värms koppen upp. Testa om fenomenet är kvar även om Du väntar någon minut med att börja knacka.

Sedan kan det naturligtvis bero på ljudets utbredning genom choklad eller vägg innan det når luften. Kanske knackar Du bort ett lager chokladpulver på botten?

Det enda råd vi kan ge Dig är att fortsätta att knacka och systematiskt gå igenom olika tänkbara alternativ och fundera ut "knackstrategier" som särskiljer de olika alternativen. Lycka till!

Tillägg 13/9/2008:

Jag har utfört lite muggknackningsexperiment. Det är inte helt lätt att höra hur tonen ändras - man bör nog ha ett bra musiköra!

Vad är det som bestämmer vilken ton (frekvens) man hör? Jo, muggen har en egenfrekvens precis som en stämgaffel. När man slår på en stämgaffel får man alltid samma frekvens - den ton som stämgaffeln är tillverkad för. Muggen är inte lika optimerad för en frekvens som stämgaffeln, men den har en viss huvudfrekvens som dominerar.

När man fyller en mugg med varm vätska och omedelbart börjar slå på den med en sked, så hör man tydligt att frekvensen ökar. Detta beror säkert på att muggens elasticitetsegenskaper ändras med den ökande temperaturen. När muggen nått sin jämviktstemperatur blir frekvensen konstant.

Om man rör om vätskan med skeden och slår på muggen, finner man att frekvensen minskar något. Uppenbarligen påverkas egenfrekvensen av att vattnet roterar. Det är emellertid inte klart varför frekvensen minskar. Kanske kan man se det så att en stående våg som bildas i vattnet tvingas rotera och blir därmed utsträckt. Större våglängd motsvarar lägre frekvens.

Tillägg 7/12/2013:

I Hot_chocolate_effect och länk 1-2 ger man förklaringen att ljudhastigheten beror på hur mycket bubblor som finns i vätskan. Länk 2 är ett mycket omfattande arbete av Frank Crawford, Berkeley med sammanfattningen:

The "hot chocolate effect" was investigated quantitatively, using
water. If a tall glass cylinder is filled nearly completely with water and tapped on the bottom with a softened mallet one can detect the lowest longitudinal mode of the water column, for which the height of the water column is one quarter wavelength. If the cylinder is rapidly filled with hot tap water containing dissolved air the pitch of that mode may descend by nearly three octaves during the first few seconds as the air comes out of solution and forms bubbles. Then the pitch gradually
rises as the bubbles float to the top. A simple theoretical expression for the pitch ratio is derived and compared with experiment. The agreement is good to within the ten percent accuracy of the experiments.

Huvudmoden för ljudet är en kvarts våglängd. Våglängden l är konstant. Om ljudhastigheten v minskar så blir alltså även frekvensen f mindre (v=lf). När det bildas bubblor sjunker alltså ljudhastigheten och därmed frekvensen. Bubblorna försvinner sedan efterhand (stiger till ytan), ljudhastigheten ökar och frekvensen ökar.

Eftersom det kan bildas bubblor på flera olika sätt är denna förklaring mycket generell.

Se även nedanstående video, och länk 1-2 nedan.


/GO/Peter Ekström 1999-06-27

Svar:
Man ska i princip ha glasets grundton. Man knäpper på ett glas och
spelar in ljudet med en bra bandspelare. Om man sedan spelar upp ljudet
med kraftig förstärkning, kommer glaset i svängning. I värsta fall
kan det spricka om man får det att svänga tillräckligt mycket. Man kan även söka efter grundtonen med en tongenerator. Tyvärr passar mormors finaste kristallglas bäst för detta experiment :-), billiga köksglas är alltför "sega"!

Se länk 1 för mer om resonans i vinglas. Länk 2 är en artikel om operasångare som spittrar glas. Nedanstående video verkar autentisk, men man vet aldrig. Observera att mannen tar reda på resonansfrekvensen genom att knäppa på glaset.


/KS/lpe 2000-12-07

Svar:
Låt oss se hur en orgelpipa med längden L fungerar.
Eftersom pipan är stängd
i ena ändan och öppen i den andra, så är
den fundamentala (längsta)
våglängden l=4L,
eftersom vi måste ha en nod (ingen svängning) i
den slutna ändan och en antinod (maximal
svängning) i den öppna.

Det är viktigt att komma ihåg, att
våglängden bestäms av pipans
längd, och alltså är oberoende av vilken
gas man blåser med.
Ljudhastigheten är däremot olika
i olika gaser. Ljudhastigheten i helium är 2.6 gånger högre än luftens.

Ljudhastigheten är proportionell mot molekylernas medelhastighet, som
i sin tur är proportionell mot roten av absoluta temperaturen. En typisk
luftmolekyl (kväve) är 7 gånger tyngre än en heliummolekyl (28/4 = 7).
Vid en given temperatur är medelenergin för luftmolekylerna lika med
medelenergin hos heliummolekylerna. Ur det får vi att kvoten
mellan ljudhastigheterna blir:

(7)^1/2 = 2.6

För alla vågrörelser gäller sambandet
att utbredningshastigheten
är våglängdenfrekvensen, dvs
v=lf.
Frekvensen som örat uppfattar blir
alltså f=v/l=
v/4L. Eftersom ljudhastigheten i helium är
2.6 gånger så
hög som ljudhastigheten i luft, så kommer en
heliumfylld orgelpipa
att ha 2.6 gånger högre naturlig
frekvens än samma
pipa med luft. Människans talorgan fungerar ungefär som
en orgelpipa, och det är därför rösten ändras till
högre frekvenser när man andas in helium och pratar.

I fråga [15873] finns en demonstration av vad som händer om man i stället andas in en tung gas som svavelhexafluorid.
/PE/KS 2002-06-04

Svar:
Anders! Det låter som en riktigt dålig idé! Visserligen är svavelhexafluoriden inte giftig, men det är en mycket tung gas, och det är risk att så mycket stannar kvar i lungorna att man kan få skador och t.o.m. kvävas!

Principen bakom det faktum att man får mörkare röst är densamma, fast tvärtom, som när man andas in helium och får en ljusare röst (Kalle Anka röst), se fråga [10178]. Helium är mindre farligt eftersom det är lättare än luft. Normalt (om du inte står på huvudet) strävar alltså heliumet att komma ut ur lungorna.

Tillägg 19/11/08:

Nedan finns en kul demonstration av hur tungt svavelhexafluorid är. Enda invändningen mot det första experimentet är att svavelhexafluorid är en oerhört potent växthusgas, så att släppa ut en massa SF₆ är inte bra för miljön! På slutet andas man in SF₆, och det är klart att det tag lång tid för gasen att försvinna! Farligt alltså!

Tack Marcus Erhagen för länktipset!


/Peter E 2008-11-15

Svar:
Bra fråga!

En stämgaffel är ett enkelt redskap för att frambringa en fast tonhöjd. Den består av en U-formad metallbit med ett litet handtag och två långa skänklar. När gaffeln slås mot något sätts skänklarna i vibration, vilket skapar en svag, sinusliknande ton. En stämgaffel ger efter en tid ifrån sig bara en frekvens, vilket gör den lämplig att ge referens- eller stämton då man stämmer instrument och för att ge ton vid a cappella-sång. (Stämgaffel)

Anledningen till att stämgaffeln utformas som en gaffel, se nedanstående figur, ges i Wikipedia-artikeln Tuning_forkDescription:

A tuning fork is a fork-shaped acoustic resonator used in many applications to produce a fixed tone. The main reason for using the fork shape is that, unlike many other types of resonators, it produces a very pure tone, with most of the vibrational energy at the fundamental frequency. The reason for this is that the frequency of the first overtone is about

5²/2² = 25/4 = &8202;6 1/4

times the fundamental (about &8202;2 1/2 octaves above it). By comparison, the first overtone of a vibrating string or metal bar is one octave above (twice) the fundamental, so when the string is plucked or the bar is struck, its vibrations tend to be a mixture of the fundamental and overtone frequencies. When the tuning fork is struck, little of the energy goes into the overtone modes; they also die out correspondingly faster, leaving a pure sine wave at the fundamental frequency. It is easier to tune other instruments with this pure tone.

Skälet är alltså att det genereras få övertoner. Eftersom övertonerna har hög frekvens så dämpas de snabbt. Man får då en ren grundton. Skänkeln vibrerar även mycket lite (fungerar som en nod) vilket betyder att man kan hålla i den utan att störa vibrationen.

Lådan som stämgaffeln står i är en resonanslåda (se fråga [384]) som förstärker grundtonen.

/Peter E 2017-12-15

Svar:
Det beror på att den akustiska impedansen ändras i gränsen pipa/fria luften. En del av ljudet reflekteras då tillbaka in i pipan.

Tyvärr blir man inte mycket klokare av det :-(. Jag kan inte komma på en enkel bild av vad som sker.

Man kan i stället hitta en liknande process som är mer välkänd: reflektion av ljus i en glasskiva: ändringen av brytningsindex gör att en del av ljuset reflekteras. I den öppna ändan av pipan kan ljudet (ändringar i lufttryck) växelverka med omgivningen, den akustiska impedansen ökar varvid en del av vågen reflekteras. Den reflekterade vågen adderas till den utgående varvid en stående våg bildas.

Stående våg är ett vågfenomen som bildas av två vågrörelser som rör sig i motsatta riktningar och är superponerade (överlagrade) på varandra. Därigenom uppstår noder och bukar. Vågen ser ut att stå stilla - en stående våg. (Stående_våg)

Akustisk impedans är hur mycket rörelse en ljudvåg skapar på material. Rörelse betyder att ljudvågen fortsätter i det nya materialet. Är det skillnad mellan två olika medium kommer en del av ljudvågen att reflekteras. Ju större skillnad det är mellan medierna desto mer ljud reflekteras. (Akustisk_impedans)

Akustisk impedans är analogt med elektrisk impedans som är ett mått på motståndet som påverkar strömmen om man anbringar en spänning.

Länk 1 och 2 innehåller mer eller mindre lättförståeliga förklaringar som är ekvivalenta med ovanstående.

Se även diskussionen i fråga [20588] om förståelse av fysik.
/Peter E 2018-02-20