【科學解答】生活中的共振現象!

2021-01-20 未來科學家

用兩個相同的高腳杯放入同量的水,然後把兩個杯子靠近放置,敲擊其中一個杯子讓其發出聲,另一個杯子會發生什麼現象?


另一個杯子中的水會有水波紋。

這是因為發生共振的結果。

共振的定義:兩個振動頻率相同的物體,當一個發生振動時,引起另一個振動的現象;共振在聲學中亦稱"共鳴",它指的是物體因共振而發聲的現象,比如兩個頻率相同的音叉靠近,其中一個振動發聲時,另一個也會發聲。

許多動物身上還存在著其它一些形式的共振現象。炎熱的午間,蟬兒發出的「知了、知了」聲;寧靜的夜晚,蟋蟀發出的「嘰—嘶」聲;還有不知疲倦的大肚子蟈蟈的鳴叫聲,儘管這些昆蟲的聲調大不相同,但其中的共同之處都是藉助了共振的原理,都是靠摩擦身體的某一部位與空氣產生共鳴而發聲。


除了昆蟲之外,鳥類也是巧妙地運用著共振來演奏生命之曲的大師,它們運用共振所發出的圓潤婉轉的鳴叫聲,是自然界生命大合唱中最為優美的聲部和旋律。因此,可以這麼說,如果沒有共振,世界將會失去多少天籟、大地將會變得多麼死寂!

更為重要的是,共振能抵擋紫外線的傷害。紫外線是太陽發出的一種射線,它們如果大舉入侵地球,人類及各種生物勢必遭受極大的危害,因為過的紫外線會使生物的機能遭到嚴重的破壞。不過不用擔心,我們有大氣層中的臭氧層,是它們藉助於共振的威力,阻止了紫外線的長驅直入。當紫外線經過大氣層時,臭氧層的振動頻率能與紫外線產生共振,從而吸收了大部分的紫外線。從而減少紫外線對人體的傷害。

橋梁倒塌。9世紀初,一隊拿破崙士兵在指揮官的口令下,邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐,通過法國昂熱市一座大橋。快走到橋中間時,橋梁突然發生強烈的顫動並且最終斷裂坍塌,造成許多官兵和市民落入水中喪生。後經調查,造成這次慘劇的罪魁禍首,正是共振!因為大隊士兵齊步走時,產生的一種頻率正好與大橋的固有頻率一致,使橋的振動加強,當它的振幅達到最大限度直至超過橋梁的抗壓力時,橋就斷裂了。類似的事件還發生在俄國和美國等地。有鑑於此,所以後來許多國家的軍隊都有這麼一條規定:大隊人馬過橋時,要改齊走為便步走。

機器損壞。工具機運轉時,運動部分總會有某種不對稱性,從而對工具機的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動,當這種作用力的頻率與工具機的固有頻率接近或相等時,會發生共振,從而影響加工精度,加大機械鋼鐵的疲勞破壞,加大機械的損害力度。

事實上,共振的危害遠大於此:巨大的冰川能被"溫柔"的海洋波濤給拍裂開;大海裡高達上百米的的巨浪;高山上的一聲大喊,可引起山頂積雪的共振,頃刻之間造成一場大雪崩;行駛著的汽車,如果輪轉周期正好與彈簧的固有節奏同步,所產生的共振就能導致汽車失去控制,從而造成車毀人亡……

為了避免共振帶來的傷害,人們經過不斷地創造和改進,產生了很多消除共振的辦法。

例如:人們在電影院、播音室等對隔音要求很高的地方,常常採用加裝一些海綿、塑料泡沫或布簾的辦法,使聲音的頻率在碰到這些柔軟的物體時,不能與它們產生共振,而是被它們吸收掉。

電動機要安裝在水泥澆注的地基上,與大地牢牢相連,或要安裝在很重的底盤上,為的是使基礎部分的固有頻率增加,以增大與電機的振動頻率(驅動力頻率)之差來防止基礎的振動。

街上的行人、車輛的喧鬧聲、機器的隆隆聲--這些連綿不斷的噪聲不僅影響人們正常生活,還會損害人的聽力。於是人們發明了一種消聲器,它是由開有許多小孔的孔板和空腔所構成,當傳來的噪聲頻率與消聲器的固有頻率相同時,就會跟小孔內空氣柱產生劇烈共振。這樣,相當一部分噪聲能在共振時被"吞吃"掉,而且還能夠轉變為熱能來進行使用。

總的來說,共振是十分普遍的自然現象,被廣泛應用於力學、機械、電磁學、聲學、工程技術等各個領域。隨著科學技術的發展,未來「共振」現象對世界的影響也會越來越大。


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