¿Cuáles son las reglas para romper un vaso con la voz?

Question

Esta mañana me desperté y recordé algo que discutí con uno de mis amigos:

¿Puede la voz humana realmente romper una copa de vino?

Así que lo busqué y después de revisar muchos sitios web y algunos videos la respuesta fue:

Sí, pero no es fácil.

Por lo que he aprendido, alcanzar la frecuencia natural del cristal no es difícil para la voz humana, el verdadero problema es el volumen, y muchos experimentos sólo tuvieron que amplificar la voz con el fin de obtener un resultado positivo, mientras que muy pocos otros tuvieron éxito sólo por medios naturales si quieres. Otros factores importantes que se mencionaron: el grosor del vidrio (leí que es aún más fácil si es un material cristalino) y la presencia de imperfecciones, como microfracturas en su interior.

Así que lo que estoy preguntando es:

1. ¿cuáles son las leyes que hay detrás de eso?
2. Sé que está relacionado con el fenómeno de la resonancia, pero ¿puede uno expresarlo matemáticamente de tal manera que, por ejemplo, el grosor del vidrio y su frecuencia natural estén relacionados con el volumen necesario?

Mis conjeturas para los factores de influencia:

• La forma del cristal
• Los compuestos químicos específicos involucrados

pero tal vez son parte de la frecuencia natural del cristal.

Answer 1

Primero: ¿qué frecuencia debes golpear? Hay muchos, muchos factores diferentes en juego para determinar la frecuencia natural de un objeto que conozco por experiencia. Estos son (no limitados a): El espesor, la densidad, el módulo de elasticidad (necesitarás dos de esos, por ejemplo el Módulo de Young y la Relación de Poisson), y por supuesto la forma. No tengo conocimiento de ningún artículo que publique una relación entre estas variables y la frecuencia.

Entonces, hay que tener en cuenta la amortiguación; esto puede ser influenciado de nuevo por muchas cosas. Por ejemplo, la redondez del cristal (incluso una forma ligeramente elíptica producirá un sonido "batiente" como campanas/campanas tubulares) es importante. Compare con tratar de "silbar" con una botella de refresco; tan pronto como la abolla aunque sea un poco, el tono desaparece inmediatamente. Luego, está la forma, donde generalmente más redondo hará que se humedezca menos, y también para un vidrio más fuerte.

Ahora, para romper un vidrio, necesitas añadir tanta energía como sea posible, con la menor disipación posible debido a la amortiguación, de modo que la energía de "vibración" interna sea mayor que la energía de unión del trozo de vidrio más débil. Aquí, nos encontramos con un poco de problemas; excepto por el grosor, se puede decir generalmente que las propiedades que permiten una mayor resonancia, también hacen al vidrio más fuerte. Por ejemplo, un vidrio se romperá por las discontinuidades del mismo, pero estas discontinuidades también disiparán continuamente la energía mucho antes de que se rompa el vidrio; se formarán concentraciones de energía en las formas "extravagantes" del vidrio, pero éstas permitirán de nuevo una menor resonancia.

Así que realmente, lo único que podemos decir con seguridad, y que un niño de 5 años también respondería, es que cuanto más delgado es mejor. Para el resto de las variables, tendrás que hacer una aproximación. Podrías hacer un análisis FEM, pero preferiría usar experimentación . Esto significará romper MUCHOS vidrios y pedir a un fabricante muestras de vidrio para probar todas las demás propiedades de su vidrio; probablemente hay papeles por ahí que tienen esta información basada en la composición química y el proceso de fabricación. Entonces, supongo que se podría llegar a algún factor que capte la forma del vidrio en sus relaciones empíricas (un poco como el coeficiente de arrastre $c_d$ en $ \frac {1}{2}c_d \rho v^2$ ). Y entonces, si tienes demasiado tiempo en tu mano, podrías tratar de predecir este factor para otras formas. Si lo haces, por favor publica tus resultados para que el mundo disfrute :)

Answer 2

Sólo hay dos requisitos, 1) frecuencia correcta y 2) suficiente amplitud . La frecuencia correcta es, la resonante la frecuencia de la copa de cristal (panel, cubo, etc.). ¡Sabrás que tienes suficiente amplitud, cuando el vaso se rompa! Ambos requisitos variará dependiendo del material, la forma, las dimensiones del objeto y otras variables.

Si haces experimentos, mantener constante tantas variables como sea posible utilizando el mismo fabricante, el mismo material de vidrio, la misma forma, etc. Tome un objeto, determine su frecuencia de resonancia y la amplitud requerida para romperlo. Tome otro objeto y repita. Cambie una variable y repita. Con suerte, podrá obtener algunas constantes empíricas que se utilizarán para predecir la frecuencia y la amplitud a la que se romperá un objeto dado.

Answer 3

Cualquier estructura que conduzca a un sistema de alto Q (el cristal) funcionará y el truco está en hacer coincidir con precisión el resonante (frecuencia natural ). Al montar el vidrio en una abrazadera que disipa la energía a una velocidad menor que la energía del sonido que lo alimenta, el vidrio está condenado independientemente del grosor o la falta de imperfecciones. Si la tasa de entrada de energía supera la tasa de disipación, la resonancia se alimentará de ella y ... desastre.

Una forma barata de detectar cuando la frecuencia natural es igualada es colocar una pelota de ping pong en el vaso.