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共振环



这个展品在不同时机可让不同尺寸的环振动。

做做看和该注意的事项

• 我们可以看到六个大小不一,但质地相同的金属环按照从小到大的顺序依次安装在一个大的喇叭上,喇叭的振动会推动这些环。右下方的红色数字表示喇叭所发出声音的振动频率,即喇叭每秒钟推动金属环的次数。

• 将桌面上的控制钮向左转动到频率最低处,然后逐渐增加频率。

• 当频率达到每秒推动七次时,最大的环会开始抖动。如果仔细观看,会看到环上有三处抖动明显,另三处几乎不动。

• 慢慢转动握柄以增加频率。当频率达到每秒八次时,第二大的环开始抖动,而最大的环抖动次数减少。继续转动握柄,看看使其它环抖动需要多大的频率。

• 当频率达到每秒推动二十五次时,最大的环又开始抖动,而且抖动明显的地方不是三处,此时增加到五处。

• 当频率逐渐增大时,我们会看到金属环也会由大到小依次逐渐抖动起来。

• 不同的频率会使不同的环剧烈抖动,当某一个环开始抖动时你会发现并不是整个环都在抖动,而是某几个位置带动整个环开始抖动。

• 试试看找出哪些频率可以使这些大小不同的环分别开始抖动。

原理

高音喇叭发出的声波推动金属环作受迫振动。当把喇叭的频率设定在金属环的固有频率上时,金属环会产生剧烈的共振。

喇叭的每次推动会在金属环周围产生两个方向的两道声波。当其中一道声波环绕金属环一圈时,会从下方的固定夹反射回来,并且从原路回到原处。由于喇叭不断推动金属环,因此双向都有许多声波环绕在金属环周围。

在大多数频率上,不同方向的声波峰值并不相同,它们互相削弱,因此金属环的振动幅度不大。但是在一些特定的频率上,两个方向的声波峰值是重合的。在这种情形下,声波会互相叠加,使金属环剧烈振动。

当推动频率为每秒七次,最大的环有三个明显振动部分,每个明显振动的部份就是声波叠加的地方。这个频率也就是金属环的固有频率或共振频率。

外延知识

物体本身都存在一个固有的振动频率,这个固有频率由物体的材料、形状、质量分布等因素决定。如果外界强加给他的刺激的频率与固有频率相同,就会发生共振。

唐朝开元年间,在洛阳的一座寺院里发生了一件怪事。寺院的房间里有一口铜铸的磬,没人敲它,却常常自己"嗡嗡"地响起来,寺里的和尚都非常的差异。这是不是佛祖显灵呢?有细心的和尚进行了仔细的研究,发现这口磬发出“嗡嗡”响声的时候,必是饭堂敲钟的时候。于是,他们进行了实验,主动地敲响饭堂的大钟,同时派人听这口磬是否发出“嗡嗡”的声音。果然,这口磬自发地发出了响声。饭堂的大钟在发声时,声音的频率与磬的固有频率正好相同。每当小和尚敲钟时,大钟的振动使得周围的空气也随着振动起来,当声波传到磬上时,磬就发出了“嗡嗡”的响声。

中国从很早就有了关于共振现象的记载。在《庄子•杂篇•徐无鬼》中,就讲到了调瑟时发生共振的现象:“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。”它说的其实是西周时代一个叫鲁遽的人做的共振实验。他把两把瑟分别放在两个房间,将其中一瑟某弦弹一下,隔壁那具土瑟上同样的弦也会发声,音律相同,他又改变实验方法,将瑟乱弹一气,结果出来很多泛音 ,另一具瑟上的每根弦都或多或少地应声而动。它既描述了基音的共振现象,又描述了基音和泛音的共振现象。
东汉以后,三国纷争年代,有一天,魏都洛阳宫殿前面的一口大钟,突然无缘无故地鸣响起来。满朝文武议论纷纷,以为是不祥之兆,魏帝心惊肉跳,惶惶不可终日,事情传到青年张华耳中,只见他从容说道:“那没有什么值得大惊小怪的地方,不过是因为四川铜山有山崩发生,因而引起宫中大钟相应自鸣罢了。”当时崇尚迷信,张华的科学见解和者盖寡。几天以后,四川的消息传来,正是洛阳宫钟自鸣的那个时辰,蜀中发生了一起铜山崩塌事件。张华的预言应验了,从此名声大振。又有一天,一个人来向张华请教,说是他家有个洗澡用的大铜盆,每日早晚总会嗡嗡作响,就象有人在敲打一样,也不知什么缘故。张华答道:这只铜盆和洛阳宫中大钟的音调相谐,宫中每天早晚都要撞钟,所以使铜澡盆有声相应。张华还告诉他只要把铜澡盆锉掉一点,使它变轻了,便不会再作响。那人照着去办,果然就不响了。

共振有很多应用,但它所造成的危害要比它的应用更加有名。

18世纪中叶,在法国的昂热市有一座大桥,一队士兵在指挥官的口令下,迈着威武雄壮、整齐划一的步伐要通过这座桥,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,美国全长860米的塔柯玛大桥就因大风引起的共振而塌毁。