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1906年,俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队, 步伐整齐、不可一世地通过爱纪华特大桥。这座大桥十分坚固, 纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官扬扬得意的时候, 突然间桥身剧烈振动起来,然后伴随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,马噺人号, 狼狈不堪。
无独有偶,1831年, 一支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。 洪亮而有节奏的“嗒、嗒、 嗒”的马蹄声,充分展示了他们的雄风。 然而,不幸的事情发生了,随着一声巨响,大桥莫名其妙地倒塌了, 人马纷纷坠入河中,死伤惨重。
以上两宗事件之后,人们对事故的原因进行了调查, 然而,既没有敌人偷袭他们,也不是桥的质量不好。 那么,究竟是什么原因造成了上述悲剧的发生呢? 最后,人们通过研究发现,肇事者就是受害者自己! 这些事故是“共振”这一物理现象导致的, 引起共振的根本原因是齐步行进。
什么是共振?打个粗浅的比方来说:一个人坐在秋千上不动, 另一个人一下一下地推动秋千,假设每当秋千荡去的时候就推一下, 如此合拍地推下去,秋千就会越荡越高。用严格的物理语言来说, 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很接近或者相等时, 振动的幅度就急剧增大,这种现象叫做共振。 上面所提到的那些军人的步伐非常整齐, 而其频率恰好接近于所通过的大桥作自由振动的固有频率, 因而激起了桥梁的共振,造成了大事故。 为了接受这些血的教训,后来世界各地都先后规定, 凡是大队人马过桥时,必须便步走,极力避免这种破坏性的共振现象重演。
轮船航行的时候,也会受到周期性的波浪的冲击而左右摇摆。 如果波浪冲击的频率恰巧跟轮船摇摆的固有频率相同, 就会发生共振,导致船体剧烈摆动,甚至可能使轮船倾覆。 为避免这种事故的发生,这时可以改变轮船的航向和速率, 使波浪冲击的频率远离轮船的固有频率。 机器在工作中由于零部件的运动(如活塞的运动和轴的转动)也会产生周期性的驱动力。 如果驱动力的频率接近机器本身或支持物的固有频率,就会发生共振, 使机器或支持物受到损坏。为了避免这种情况的发生, 要采取特殊的措施,如控制机器的转速,使驱动力不与机器的固有频率一致。
在我国古代典籍中,有大量关于共振现象的记述, 并把这种现象解释为“同声相应”或“声比则应”。 这个解释与现代的科学定义几乎完全相同。因为凡是共振的两个物体, 它们的固有频率或者相同,或者成简单的整数比,如1/1,1/2, 2/3。
最早记述共振现象的是《庄子》一书, 此书在描述瑟的各弦间发生的共振现象时写道:“为之调瑟,废于一堂, 废于一室。 鼓宫宫动,鼓角角动。音律同矣。夫改调一弦,于五音无当也, 鼓之,二十五弦皆动。”这里说的瑟有25根弦。 宫、商、角、 徵、羽是古代人使用的乐音音名, 相当于现在的do、re、mi、sol、la。当在高堂明室中放上一具瑟, 人们发现,弹动某一弦的宫音,别的宫音弦也动;弹动某一弦的角音, 别的角音弦也动。这是由于它们的音相同。如果改调一弦, 使它发出的音和五音中的任何一声都不相当;再弹这根弦时, 瑟上的25根弦都会动。因为这条弦虽然弹不出一个准确的乐音, 但它的许多泛音中总有那么几个音和瑟的25弦的音相当或成简单的比例, 这就是它能使瑟的25弦都动(共振)的道理。
共振这一物理现象并不是总给人类带来危害,在很多情况下, 人们可以巧妙地利用它来为人类服务。 例如,人们把许多不同长度的钢片装在同一个支架上, 制成测量发动机转速的转速计。若使转速计与开动着的机器紧密接触, 发动机的转动就引起转速计轻微振动。 这时,转速计中只有固有频率与发动机的转数一致的那个钢片, 才会有显著的振幅。从支架上的刻度线上读出这条钢片的固有频率, 就可以知道机器每分钟转动的次数了。共振筛也是利用共振规律的机械。 把筛子用四根弹簧支撑起来,并在筛架上安装一个偏心轮, 偏心轮轴上另装有皮带轮,与动力相连。 偏心轮在皮带轮的带动下发生转动时,筛子就受到一个周期性的驱动力, 做受迫振动。适当调整偏心轮的转速,便驱动力的频率接近共振筛的固有频率, 筛子就发生共振,达到较大振幅, 这样能提高筛除杂物的效率。