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物理与军事篇
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大桥崩塌军舰倾覆—共振作祟


  坚固的大桥在瞬间崩塌,巨大的舰船无故倾覆,这些都是什么原因造成的呢?只因一种物理现象在作怪,它就是我们在中学物理课中学习到的共振现象。 

  ⒈共振现象导致人马坠河 

  1831年,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。洪亮而有节奏的“嗒、嗒、嗒”的马蹄声充分展示了队伍的雄风。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。 

  无独有偶,在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。可是正在指挥官洋洋得意的时候,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,马嘶人叫,狼狈不堪。 

  以上两宗事件之后,人们都对事故的原因进行了调查,然而,既没有敌人破坏,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”这一物理现象的结果。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。这种现象叫作共振。上面所提到的那些军人的步伐非常整齐,而且频率恰好接近于所通过的大桥作自由振动时的固有频率,激起了桥梁的共振,结果造成了大事故。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,必须碎步走,极力避免这种破坏性的共振现象重演。 

  ⒉共振现象会导致军舰倾覆 

  舰船航行的时候,也会受到周期性的波浪的冲击而左右摇摆。如果波浪冲击恰巧跟舰船摇摆的固有频率相同,就会发生共振,导致船体剧烈摆动,甚至可能使舰船倾覆。这时可以改变舰船的航向和速率,使波浪冲击的频率远离舰船的固有频率。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。 

  ⒊共振现象在《庄子》中早有记述 

  在我国古代典籍中,关于共振现象有大量的记述,并把这种现象解释为“同声相应”。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。鼓宫官动,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、徽、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同;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乐音,但它的许多泛音中总有那么几个音和瑟的25根弦的音相当或成简单的比例。这就是调一弦能使瑟的25根弦都共振的道理。 

  ⒋巧妙利用共振原理为人类服务 

  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。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。共振筛也是利用共振规律的机械。把筛子用4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,就做成了共振筛。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,作受迫振动。适当调整偏心轮的转速,使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,提高了筛除杂物的效率。



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