Ringar i resonans (film)

Årskurs: 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Ljus och ljud, Våglära och optik

I det här experimentet tillverka vi en skiva med tre olika stora pappringar på. Genom att skaka skivan snabbare eller långsammare kan vi visa hur ringarna gungar mycket kraftigare vid en viss hastighet. 

Detta kallas resonans eller självsvängning. Fenomenet uppkommer när man skakar med en frekvens som motsvarar någon av ringarnas egenfrekvens eller naturliga svängning.

Tillverka

Klipp till ett antal lika breda men olika långa remsor av ett pappersark. Bäst resultat får man med lite tjockare papper, eller tunn kartong som vi har använt, och inte vanligt kopieringspapper. Med tjockare ritpapper eller liknande kan du göra ringar i många fler storlekar.

Måttangivelser
Vanligt kopieringspapper (A4): Klipp till tre stycken 3 centimeter breda remsor längs med pappret. Låt en remsa ha papprets fulla längd men korta av de bägge andra med 5 respektive 8 centimeter.

Mall för tjockare ritpapper (A3): Klipp till tre stycken 3 centimeter breda remsor längs med pappret. Låt en remsa ha papprets fulla längd men korta av de bägge andra med 8 respektive 16 centimeter.

Vad händer och vad är resonans?

När vi skakar lika fort som en ring "vill" svänga gungar den mycket kraftigare. Detta kallas resonans eller självsvängning. Fenomenet uppkommer när man skakar med en frekvens som motsvarar någon av ringarnas egenfrekvens eller naturliga svängning.

Varje rings egenfrekvens beror bland annat på pappret, dess styvhet och tjocklek, och på ringens storlek. Den största ringen har lägst egenfrekvens och kommer i resonans när man skakar ganska långsamt. Mycket små ringar kräver mycket snabba skakningar och är svåra att få i resonans på ett kontrollerat sätt.

Tänk på att du bara behöver skaka skivan en liten bit i sidled. Skakar du skivan i en cirkelbåge kan svängningar i andra riktningar uppstå och det blir svårt att se vad som händer. Men prova gärna! 

Arbeta med experimentet

I tidiga årskurser fokuserar man på att uppleva och observera resonans och på utmaningen att få en ring i taget att svänga. I högre årskurser kan man diskutera frekvens och periodtid.

Bra träning
Låt eleverna få i uppgift att själva tillverka skivan med ringar enligt anvisningarna ovan. Det är en bra konstruktionsuppgift och träning i att följa instruktioner.

Om eleverna är bekanta med matematiken kan du utforma instruktionerna så att du till exempel anger omkretsen för en ring, arean för en annan och diametern för en tredje, så får de själva fundera ut hur långa remsor som ska klippas.

För mer inspiration se även experimentet "Ringar i resonas"

Innan eleverna sätter fast ringarna på underlaget, be dem hålla en ring i taget i handen och skaka den. Känslan av resonans är mycket påtaglig. Det är nästan svårt att låta bli att skaka med rätt frekvens, det vill säga ringens egenfrekvens. 

Uppmana eleverna att försöka skaka med "fel" frekvens. Låt dem beskriva vad som då händer. Hur olika skakningarna motverkar hur ringen "vill" svänga.

Frekvens och periodtid
Om du tänkt diskutera frekvens och periodtid kan du be eleverna mäta upp den naturliga periodtiden för ringarna. Du kan knyta an till medelvärde genom att be eleverna mäta periodtiden för någon ring som har kort periodtid. 

Mät till exempel hur lång tid det tar för ringen att gunga tio perioder. Dividera sedan tiden med tio. Resultatet blir då bättre än om ni mäter tiden för en svängning.

Olika resonansfenomen

Krossa glas med ljud
När ett glas utsätts för kraftiga ljudvågor med rätt frekvens (ganska höga toner) kan det hamna i resonans. Glaset börjar då vibrera och kan gå sönder. De här filmerna visar ett glas som utsätts för en ton med högre och högre frekvens tills det går sönder.

Gång och löpning
När man går eller springer känns det naturligt att svänga armarna med samma frekvens som man rör benen med. Man kan se armarna som pendlar. När man promenerar och frekvensen är låg, håller man armarna relativt raka och deras egenfrekvens passar in på gången. 

När man springer och rör benen fortare böjer man gärna på armarna. Det vill säga kortar av pendelns längd så att den får en högre naturlig frekvens som passar in på det snabbare löpsteget.

Gungor
Gungor är ett exempel på pendlar. Med små knuffar vid rätt tillfälle kan man hjälpa en gungande person att gunga mycket högre. Med ”rätt tillfälle” menas här att man anpassar sig efter hur gungan svänger och knuffar till precis när den vänder eller är på väg ner. 

Babysitter
Barnet i den här filmen sparkar rytmiskt så att han och hans babysitter kommer i resonans.

Vibration i bilar
Många bilar vibrerar märkbart vid ett visst varvtal på motorn. Det kan exempelvis beror på att man har prickat in stötdämpningens egenfrekvens.

Jordbävning
Vid en jordbävning skakar marken med låga frekvenser. Efter en kraftig jordbävning är en del byggnader mycket skadade, eller har rasat helt, medan andra fortfarande står upp. 

Beroende på byggnadsmaterial och storlek har hus olika självsvängning. Om jordbävningen orsakar att ett hus kommer i självsvängning blir påfrestningarna på det stora. Armeringsjärn kan böjas eller brytas och betongen smulas sönder vilket kan leda till att huset rasar.

Tacoma Bridge
Ett mycket berömt och ofta visat exempel på resonans i byggnadsverk. Vi tycker dock att man kan vara lite försiktig med det här exemplet. 

Kopplingen mellan brons ganska komplicerade självsvängning och enklare exempel på svängningsresonans är inte helt uppenbar. Bland annat vred sig Tacoma Bridge
runt sin längdaxel snarare än svängde. Det fanns heller ingen tydlig drivfrekvens utan en konstant vind orsakade svängningen på grund av luftvirvlar som uppstod runt bron.

Millennium Bridge i London
Fenomenet att marscherande soldater kan få en bro i svängning är ett tydligt exempel på resonans. Med soldaternas rytmiska trampande som drivfrekvens. Detta är bakgrunden till att soldater "break step", det vill säga slutar gå i takt, vid broar.

Men även vanligt promenerande kan sätta broar i gungning. Gångbron Millenium Bridge i London fick stängas och byggas om på grund av det obehagliga svängandet som uppstod då många människor gick samtidigt på bron.

(Skapat av Per Beckman och Carina Fasth.)