有趣的共振现象

有趣的共振现象

俄罗斯横跨伏尔加河伏尔加格勒市的大桥全长154米，2010年5月22日，大桥路面突然开始蠕动，类似于波浪形，并发出震耳欲聋的声音，正在大桥上行驶的车辆在滚动中跳动。俄罗斯著名桥梁专家阿纳托利表示，大桥发生共振现象可能是因风引起的波动和负载频率相接近。当天伏尔加格勒多云，强风，由于154米大桥全部由长板金属制成，金属结构并不变形。

一支高歌凯旋的骑兵队雄赳赳、气昂昂地通过英国曼彻斯特附近的一座吊桥。洪亮而由节奏的“嗒、嗒、嗒”的马蹄声充分展示了队伍的雄风。然而，随着一声巨响，大桥突然倒塌，人马纷纷坠入河中，死伤惨重。1906年的某一天，俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队正步伐整齐、不可一世地通过坚固无比，纵然跑过千军万马也难以撼动的爱妃华特大桥。可就在指挥官正洋洋得意地指挥军队前进时，突然桥身剧烈振动起来。然后伴着一声巨大的断裂声，大桥崩塌了。顿时，军官、士兵、辎重、马匹纷纷落水，马嘶人叫，狼狈不堪。以上两起事故均由共振现象所引起。共振，振动体在周期性变化的外力作用下，当外力的频率与振动体固有频率相等或相近时，振动的幅度就急剧增大。共振所造成的危害超出人类的想象，鉴于这些由共振所造成的危害，振动监测器的问世成为必然。对于桥梁来说，不光是大队人马厚重整齐的脚步能使之断裂，那些看似无物的风儿同样也能对之造成威胁。1940年，美国全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，可是因为这座大桥的实际的抗共振强度没有过关，所以导致事故的发生。每年肆虐于沿海各地的热带风暴，也是借助于共振为虎作伥，才会使得房屋和农作物饱受摧残。近几十年来，美国及欧洲等国家和地区还发生了许多起高楼因大风造成的共振而剧烈摇摆的事件。也是由于共振的力量，巨大的冰川能被“温柔”的海洋波涛给拍裂开。甚至于美国阿拉斯加李杜牙湾经常出现的高达上百米的巨浪，也是由于共振在“推波助澜”。因为共振在这个海湾的“作威作福”实在是太厉害了，所以许多航海人对这个海湾都是“敬”而远之。

振动监测器，就是监测物体振动幅度的仪器。振动监测器的设计原理是：振动监测器内部的传感器将钢铁、切割混凝土或合成金属外壳等材料的结构振动所产生的变化转换为电信号，而振动监测器的数字处理功能对此信号进行分析并将它们与被探测设备的一般频率范围进行比较。如超出正常取值范围，振动监测器会通过继电器触点发出报警，从而防止因共振的发生而造成毁灭性的破坏。振动监测器能通过实时采集三维方向的振动信号（每秒采集一次）与设定的振动幅度进行对比分析，一旦超出则输出开关信号触发其它关联设备的联动。

中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。在建筑工地，建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，总是一面灌混凝土，一面用振荡器进行震荡，那是为了使混凝土之间由于振荡的作用变得更紧密、更结实从而提高质量。此外，粉碎机、测振仪、电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。

一个人来到华尔街，爬上一座尚未竣工的钢骨结构楼房，从大衣口袋里掏出一件小物品，把它夹在其中一根钢梁上，然后按动上面的一个小钮。数分钟后，可以感觉到这根钢梁在颤抖。慢慢地，颤抖的强度开始增加，延伸到整座楼房。最后，整个钢骨结构开始吱吱嘎嘎地发出响声，并且摇摆晃动起来。惊恐万状的钢架工人以为建筑出现了问题，甚至是闹地震了，于是纷纷慌忙地从高架上逃到地面。眼见事情越闹越大，他觉得这个恶作剧该收场了，于是，把那件小物品收了回来，然后从一个地下通道悄悄地溜开了，留下工地上的那些惊魂甫定、莫名其妙的工人，上面这一段是一本书中有关美国著名发明家特斯拉进行共振器发明的描写，里面所说的“小物品”便是一个共振器。可以预见，若是他把这个小物品再开上那么十来分钟，这座建筑物准会轰然倒地。它是一件共振器，它的威力主要在于它能发出各种频率的波，这些不同频率的波作用于不同的物体，就能够相应地产生出一种共振波，当这种共振波达到一定程度时，就能使物体被摧毁。

共振在声学中亦称 “共鸣”，它指的是物体因共振而发声的现象，如两个频率相同的音叉靠近，其中一个振动发声时，另一个也会发声。在电学中，振砀电路的共振现象称为“谐振”。产生共振的重要条件之一，就是要有弹性，而且一件物体受外来的频率作用时，它自身的固有频率要与后者的频率相同或基本相近。从总体上来看，宇宙的大多数物质是有弹性的，大到行星小到原子，几乎都能以一个或多个固有频率来振动。

宇宙是在一次剧烈的大爆炸后产生的，而促使这次大爆炸产生的根本原因之一，便是共振。当宇宙还处于浑沌的奇点时，里面就开始产生了振砀。最初的时候，这种砀振是非常微弱的。渐渐地，振砀的频率越来越高、越来越强，并引起了共振。最后，在共振和膨胀的共同作用下，导致了一阵惊天动地的轰然巨响，宇宙在瞬间急剧膨胀、扩张，然后，就产生了日月星辰，于是，在地球上便有了日月经天、江河行地，也有了植物蓬勃葳蕤、动物飞翔腾跃。从电磁波谱看，微观世界中的原子核、电子、光子等物质运动的能量都是以波动的形式传递的。宇宙诞生初期的化学元素，也可以说是通过共振合成和产生的。有一些粒子微小到简直无法想象，但它们可以在共振的作用之下，在100 万亿分之一秒的瞬间，互相结合起来，于是新的化学元素便产生了。因为宇宙中这些粒子的生成与共振有着如此密切的关系，所以粒子物理学家经常把粒子称为“共振体”。

人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外，人的大脑进行思维时产生的脑电波也会发生共振现象。类似的共振现象在其它动物身上也同样普遍地存在着。我们喉咙间发出的每个颤动，都是因为与空气产生了共振，才形成了一个个音节。许多动物身上还存在着其它一些形式的共振现象。炎热的午间，蝉儿发出的“知了、知了”声；宁静的夜晚，蟋蟀发出的“叽—嘶”声；还有不知疲倦的大肚子蝈蝈的鸣叫声，尽管这些昆虫的声调大不相同，但其中的共同之处都是借助了共振的原理，都是靠摩擦身体的某一部位与空气产生共鸣而发声。除了昆虫之外，鸟类也是巧妙地运用着共振来演奏生命之曲的大师，它们运用共振所发出的圆润婉转的鸣叫声。大气层中的臭氧层，是它们借助于共振的威力，阻止了紫外线

的长驱直入。当紫外线经过大气层时，臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振，因而就使这种振动吸收了大部分的紫外线。所以，共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样，保证我们不至于被射线伤害。因为虽然经过臭氧层的堵截围追，但仍有少部分紫外线能够成功地突破层层防线，到达地球表面。这部分紫外线经过地球吸收后，能量减少，变为红外线，扩散回大气中。而红外线的热量，又恰好能和二氧化碳产生共振，然后被“挽留”在大气层中，使大气层保有一定温度。植物的光合作用，亦是叶绿素与某些可见光共振，才能吸收阳光，产生氧气与养分。所以没有共振，植物便不能生长，没有共振，地球上的生命便不能长期存在。

钠光是黄的，因为钠原子的振动所产生的是黄色的光。水银原子的振动发出蓝光。氖原子送出的振动到了你眼中，就成为了红色。在地面，共振也把所有的物体都染上了各式各样的颜色，从花卉到水果。红苹果把太阳光中我们称为蓝光和绿光的振动频率吸收了，因此我们看到的它就是红艳艳的、令人馋涎欲滴的样子。绿叶中的叶绿素分子的振动频率在太阳的红光及蓝光范围，所以共振把这两种颜色都“贪污”了，而只把绿的颜色反射入我们的眼里，因此树叶看上去便是浓绿或嫩绿一派生机盎然。也是这同一片叶子，到了秋天的时候，它被共振所“贪污”的却是绿光，因而这时反射出的是或黄或红的色彩，映衬出秋天的苍凉和凄美。就是那种很虚幻的彩虹也是因为有了共振，才有了赤橙黄绿青蓝紫。

持续发出某种频率的声音会使玻璃杯破碎，机器的运转可以因共振而损坏机座，高山上的一声大喊，可引起山顶积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩。行驶着的汽车，如果轮转周期正好与弹簧的固有节奏同步，所产生的共振就能导致汽车失去控制，从而造成车毁人亡。人们在生活和生产中会接触到各种振动源，这些振动都可能会对人体产生危害。由科学测试知道人体各部位亦有不同的固有频率，如眼球的固有频率最大约为60赫兹，颅骨的固有频率最大约为200赫兹等；把人体作为一个整体来看，水平方向的固有频率约为3—6赫兹,竖直方向的固有频率约为48赫兹。因此，跟振动源十分接近的操作人员，如拖拉机驾驶员，风镐、风铲、电锯、镏钉机的操作工，在工作时应尽量避免这些振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。为了保障工人的安全与健康，有关部门已作出了相应规定，要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20赫兹。

对人体危害程度尤为厉害的是次声波所产生的共振。次声波是一种每秒钟振动很少、我们朵听不到的声波。次声波的声波频率很低，一般均在20赫以下，波长却很长，不易衰弱。自然界的太阳磁暴、海浪咆哮、雷鸣电闪、气压突变、火山爆发；军事上的原子弹、氢弹爆炸试验，火箭发射、飞机飞行等等，都可以产生次声波。在我们工作、学习和生活的周围，能够产生次声波的小型动力设备很多，如鼓风机、引风机、压气机、真空泵、柴油机、电风扇、车辆发动机等。次声波的这种神奇的功能也引起了军事专家的高度重视，一些国家利用次声波的性质进行次声波武器的研制，目前已研制出次声波枪和次声波炸弹。不论是次声波枪还是次声波炸弹，都是利用频率为16—17赫兹的次声波，与人体内的某些器官发生共振，使受振者的器官发生变形、位移或出血，从而达到杀伤敌方的目的。大量发射的频率为16—17赫兹的次声波会引起人体无法忍受的颤抖，从而产生视觉障碍、定向力障碍、恶心等症状，甚至还会出现可导致死亡的内脏损坏或破裂。。

消除共振的办法。据史籍记载，我国晋代就有人对共振现象作出了正确的解释，并已经能够完全认识到，防止共振的最好方法是改变物体的固有频率，使之与外来作用力的频率相差越大越好。唐朝洛阳某寺一僧人房中挂着的一件乐器，经常莫名其妙地自动鸣响，僧人因此惊恐成疾，四处求治无效。他有一个朋友是朝中管音乐的官员，闻讯特地去看望他。这时正好听见寺里敲钟声，那件乐器又随之作响。只见他找到一把铁锉，在乐器上锉磨几下，乐器便再也不会自动作响了。这件乐器与寺院里的钟声的共振频率相合，于是敲钟时乐器也就会相应地鸣响，现在把乐器稍微锉去一点，也就改变了它的固有振动频率，它就不再能和寺里的钟声共鸣了。中国人对于共振的运用，还可以追溯到很久远的年代。战国初期，发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。《墨子·备穴》记载了其中的几种：在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑里埋置一只容量有七八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，这样，实际上就做成了一个共鸣器。让听觉聪敏的人伏在这个共鸣器上听动静，遇有敌人挖地道攻城的响声，不仅可以发觉，而且根据各瓮瓮声的响度差可以识别来敌的方向和远近。另一种方法是：在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮，两瓮分开一定距离，根据这两瓮的响度差来判别敌人所在的方向。以上几种方法被历代军事家因袭使用。明代抗倭名将戚继光曾用上面的方法来侦听敌人凿地道的声音。甚至在本世纪的一些现代战争中，不少国家和民族还继续采用这些方法。我国古时还发明出了另一种更加轻巧、简便、实用的共鸣器。如唐代的军队中就有一种用皮革制成的叫做“空胡鹿”的随军枕，让听觉灵敏和睡觉警醒的战士在宿营时使用，“凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻”。当声音通过地面传播到空穴时，在空穴处产生交混回响，于是就能知道敌人的多寡远近。值得一提的是，这种用竹筒听地声的方法正是现代医用听诊器的滥觞。宋代的科学家沈括就曾巧妙地利用共振原理设计出了在琴弦上跳舞的小人：先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要调好，然后剪一些小小的纸人夹在各弦上。当弹动不夹纸人的某一弦线时，凡是和它共振的弦线上的纸人就会随着音乐跳跃舞动。这个发明比西方同类发明要早几个世纪。据史籍记载，晋代张华（232-300）对共振现象作出了正确的解释，并提出了消除共振的方法。据南北朝刘宋刘敬叔撰《异苑》卷二：

电影院、播音室等对隔音要求很高的地方，常常采用加装一些海绵、塑料泡沫或布帘的办法，使声音的频率在碰到这些柔软的物体时，不能与它们产生共振，而是被它们吸收掉。电动机要安装在水泥浇注的地基上，与大地牢牢相连，或要安装在很重的底盘上，为的是使基础部分的固有频率降低，以增大与电机的驱动力频率之差来防止基础的振动。大街上的行人、车辆的喧闹声、机器的隆隆声——这些连绵不断的噪声不仅影响人们正常生活，还会损害人的听力。于是人们发明了一种消声器，它是由开有许多小孔的孔板和空腔所构成，当传来的噪声频率与消声器的固有频率相同时，就会跟小孔内空气柱产生剧烈共振。这样，相当一部分噪声能在共振时被“吞吃”掉，而且还能够转变为热能来进行使用。微波炉便是家庭应用共振技术的一个最好体现。具有2500 赫兹左右频率的电磁波称为“微波”。食物中水分子

的振动频率与微波大致相同，微波炉加热食品时，炉内产生很强的振动电磁场，使食物中的水分子作受迫振动，发生共振，将电磁辐射能转化为热能，从而使食物的温度迅速升高。音乐的频率、节奏和有规律的声波振动，是一种物理能量，而适度的物理能量会引起人体组织细胞发生和谐共振现象，这种声波引起的共振现象，会直接影响人们的脑电波、心率、呼吸节奏等，使细胞体产生轻度共振，使人有一种舒适、安逸感，音律的变化使人的身体有一种充实、流畅的感觉。促使人体分泌一种有利健康的活性物质，提高大脑皮层的兴奋性，振奋人的精神，让人们的心灵得到了陶冶和升华。在粒子物理的基本小宇宙中，每一种能量都有对应的频率，反之亦然，这是很自然的物质互补原理，既有波又有粒子的特性。物质因为具有波的性质，也就有了频率。粒子加速器就是运用了这样的共振原理，把许多小小的“波纹”迭加起来，结果变成很大的“波峰”，可把电子或质子推到近乎光速，在高速相撞下产生粒子来。

在天体力学中，轨道共振发生在两个天体的运行轨道的公转周期成简单整数比关系，它们之间互相受到周期性引力影响。这使它们的轨道在引力扰乱中保持稳定。例如：冥王星于其它一些类似冥王星的天体的轨道与海王星的轨道成3:2的共振。特洛伊小行星的轨道与木星的轨道正好成1:1的共振。轨道共振也可以使天体的轨道不稳定，比如：在小行星带中有一系列被称为柯克伍德空隙的地区，这些地区的轨道与木星的轨道成共振而不稳定，因此这里的小行星很早就已经被排挤掉了。假如三个或三个以上的天体的轨道以相互之间的共振率是整数的话，这样的共振被称为拉普拉斯共振。比如木星的卫星木卫三、木卫二和木卫一的轨道的共振率是1:2:4。