共振现象的例子

古希腊的学者阿基米德曾豪情万丈地宣称：给我一个支点,我能撬动地球.而现代的美国发明家特士拉更是“牛气”,他说：用一件共振器,我就能把地球一裂为二!
他来到华尔街,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士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.书中说,用同样的这个小物品,在一小时不到的时间内,也能把布鲁克林大桥(连接纽约曼哈坦岛和长岛的大桥)摧毁,使之坠入幽深黑暗的海底.而且,在这本书里,特士拉甚至说：用这件小物品,我还能把地球一裂为二!
这该是一本科幻或者荒诞小说吧?否则,一件大不过拳头、重不过几斤的小东西,真的就有那么厉害,能把一座巍然耸立的大楼甚至是一座巨无霸似的大桥震垮?它是一件什么物品呢?
原来,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.
如果你对共振的威力还有怀疑,那就让我们一起来了解共振吧.
共振创造了世界
共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语.共振的定义是两个振动频率相同的物体,当一个发生振动时,引起另一个物体振动的现象.
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,振荡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,它的频率要与后者的频率相同或基本相近.从总体上来看,这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.
共振不仅在物理学上运用频率非常高,而且,共振现象也可以说是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一,所以在某种程度上甚至可以这么说,是共振产生了宇宙和世间万物,没有共振就没有世界.
我们都知道,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荡.最初的时候,这种荡振是非常微弱的.渐渐地,振荡的频率越来越高、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.
共振不仅创造出了宏观的宇宙,而且,微观物质世界的产生,也与共振有着密不可分的干系.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”.
既然共振是宇宙间一切物质运动的一种普遍规律,人及其它的生物也是宇宙间的物质,当然共振也是普遍存在于这些生命中了.
人除了呼吸、心跳、血液循环等都有其固有频率外,人的大脑进行思维活动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,构成一句句语言,才能使我们能够用这些语言来表达我们的情感和进行社会交往.
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,是自然界生命大合唱中最为优美的声部和旋律.因此,可以这么说,如果没有共振,世界将会失去多少天籁、大地将会变得多么死寂!
其实更为重要的是,共振能充当地球生物的保护神.我们知道,紫外线是太阳发出的一种射线,它们如果大举入侵地球,人类及各种生物势必遭受极大的危害,因为过量的紫外线会使生物的机能遭到严重的破坏.不过不用担心,我们有大气层中的臭氧层,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的伤害.
另外,共振还能使地球维持在适当的温度,给地球生命创造出一个冷热适宜的生长环境.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,让万物在温暖和煦的环境中孕育成长.
俗话说万物生长靠太阳,其实也可以这么说：万物生长靠共振.因为我们所熟知的植物的光合作用,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,人类和许多动物也就因此会失去了食物的来源.也就是说,没有共振,地球上的生命便不能长期存在.
共振还是一个善于使用色彩和色调的魔幻绘画师,把我们所看到的每一件物体都神奇地染上了颜色,使我们这个世界变得五彩斑斓、艳丽缤纷.钠光是黄的,因为钠原子的振动产生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生机盎然浓绿或嫩绿.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.因此,我们的生活中有着如此美丽迷人的花红柳绿、斑斓烂漫,也无不是拜共振之所赐.
共振亦能毁灭世界
任何事物都是有两面性的,共振并非完完全全都是给我们带来福音,它也有着非常巨大的危害性.
说到共振的危害时,人们最为熟知和引用得最多的,便是下面这个例子：18世纪中叶,一队士兵在指挥官的口令下,迈着威武雄壮、整齐划一的步伐,通过法国昂热市一座大桥,快走到桥中间时,桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌,造成许多官兵和市民落入水中丧生.后经调查,造成这次惨剧的罪魁祸首,正是共振!因为大队士兵齐步走时,产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加强,当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时,桥就断裂了.类似的事件还发生在俄国和美国等地.有鉴于此,所以后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时,要改齐走为便步走.
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,美国的全长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,也是由于共振在其中发挥了很大的“推波助澜”的作用.因为共振在这个海湾“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.
给人类带来重大伤亡和财产损失的地震,其中亦有共振的“幢幢魔影”：当地壳里的某一板块发生断裂时,产生的波动频率传到地面上,与建筑物产生强烈的共振,于是,就造成了屋毁人亡的惨剧.
实际上,共振的危害程度和范围还无远远不止于此.持续发出的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,可引起山顶的积雪的共振,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,如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.并且,为了保障工人的安全与健康,有关部门己作出了相应规定,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、我们耳朵听不到的声波.次声波的声波频率很低,一般均在20兆赫以下,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.现代科学研究已经证明,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.这种次声波武器可以说是人类运用共振来危害人类自己的一种技术上的极致.
巧除共振的危害
共振给人们带来意想不到的灾难,那么,人们能不能消除这些灾难呢?为此,人们经过实践,总结出许多消除共振的办法.
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,防止共振的最好的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.
古时还有一个有趣的故事,说的就是人们如何巧妙地消除共振的.唐朝时候,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,闻讯特去看望他.这时正好听见寺里敲钟声,那件乐器又随之作响.于是朋友说：你的病我可以治好,因为我找到你的病根了.只见朋友找到一把铁锉,在乐器上锉磨几下,乐器便再也不会自动作响了.朋友解释说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.僧人恍然大悟,病也就随着痊愈了.
到了今天,人类对付共振危害的方法更是多种多样和更加先进.例如：人们在电影院、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.又如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增加,以增大与电机的振动频率(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.
利用共振能带来福祉
实际上,中国人对于共振的运用,还可以追溯到很久远的年代.
早在战国初期,当时的人就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.
到了现代,随着科技的发展和对共振研究的更加深入,共振在我们的社会和生活中“震荡”得更为频繁和紧密了.
弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等,就是使系统固有频率与驱动力的频率相同,发生共振.我们在建筑工地经常可以看到,建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时,为了提高质量,总是一面灌混凝土,一面用振荡器进行震荡,使混凝土之间由于振荡的作用而变得更紧密、更结实.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.
进入20世纪以后,微波技术得到长足的发展,使我们人类的生活进入了一个全新的、更加神奇的领域.而微波技术正是一种把共振运用得非常精妙的技术.微波技术不仅广泛应用在电视、广播和通讯等方面,而且“登堂入室”,与人们的日常生活愈来愈密切相关,微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,炉内产生很强的振荡电磁场,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.微波加热技术是对物体内部的整体加热技术,完全不同于以往的从外部对物体进行加热的方式,是一种极大地提高了加热效率、极为有利于环保的先进技术.
人的一生中,离不开音乐的“沐浴”和“滋润”,而优美曼妙的音乐里也无不蕴藏着共振的“精灵”.专家研究认为,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.它活化了体内的细胞,加快了血液的流动,激活了人的物理层次的生命潜能.人们还发现,当人处在优美悦耳的音乐环境中,可以改善精神系统、心血管系统、内分泌系统和消化系统的功能,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.所以,人们已经开始运用音乐产生的共振,来缓解人们由于各种因素造成的紧张、焦虑、忧郁等不良心理状态,而且还能用于治疗人的一些心理和生理上的疾病.
我们知道,粒子加速器对于物理学的研究和发展是至关重要的,而粒子加速器对于共振的运用,用“登峰造极”来形容也一点不为过.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,在高速的相撞下产生粒子来.
总而言之,共振不仅是一种客观存在,它也是有待于进一步开拓的科技领域.共振技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域.如音响设备中扬声器纸盆的振动,各种弦乐器中音腔在共鸣箱中的振动等利用了“力学共振”；电磁波的接收和发射利用了“电磁共振”；激光的产生利用了“光学共振”；医疗技术中则有已经非常普及的“核磁共振”等.在21世纪开始的正在蓬勃发展的信息技术、基因科学、纳米材料、航天高科学技术大发展的浪潮中,更是大量运用到共振技术.而且随着科学的发展,可以预见,共振将会对我们这个社会产生更加巨大的“震荡”.