擊此彼應(yīng)的共鳴

做一個(gè)關(guān)于“自鳴杯”的小實(shí)驗(yàn)。

將兩個(gè)相同的高腳玻璃杯放在桌子上，兩杯相距兩厘米，分別向兩個(gè)杯子里加入相同多的水。用濕手指慢慢摩擦一個(gè)杯子的口，會(huì)產(chǎn)生很響的嗡嗡聲;這時(shí)，另一只杯子也會(huì)產(chǎn)生相同的聲音。這種現(xiàn)象就叫“共鳴”。

物體的共鳴是由共振產(chǎn)生的。所以，要揭開共鳴之謎，先得從共振入手。

一個(gè)物體，當(dāng)它振動(dòng)起來以后，不再對(duì)它施加外力，任其自然，這種振動(dòng)就叫自由振動(dòng)，也叫固有振動(dòng)。物體在自由振動(dòng)時(shí)，它的頻率是一定的。這個(gè)頻率就叫這個(gè)物體的固有頻率。

聲源的振動(dòng)世界如此。用筷子敲一下玻璃杯，玻璃杯發(fā)生了自由振動(dòng)，我們聽到了響聲。敲一下鼓，打一下鑼，都會(huì)引起它們的自由振動(dòng)，鼓聲和鑼聲都是自由振動(dòng)發(fā)出來的。

這說明，物體自由振動(dòng)時(shí)的固有頻率是由它本身的各種條件決定的。固有頻率不受外力影響，不管作用于它的外力是小是大，它的振動(dòng)頻率總是一定的。

當(dāng)然，也有一種跟自由振動(dòng)不同的受迫振動(dòng)，它受策動(dòng)力的作用產(chǎn)生有規(guī)律性的變化。如縫紉機(jī)的針頭上下振動(dòng)，孩子在床上跳動(dòng)引起的床板振動(dòng)，都是屬于受迫振動(dòng)。

共振是物體經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，在很多場(chǎng)合下是有害的。讓我們來看一看幾則關(guān)于共鳴和共振的小故事。

我國(guó)唐代《劉賓客嘉話錄》里，記載了這樣一個(gè)有趣的故事:洛陽的一座古廟里，某和尚房間里的一個(gè)磐，敲擊時(shí)可以發(fā)出悅耳的聲音。但這個(gè)磐經(jīng)常不敲卻自鳴，和尚很害怕，反復(fù)琢磨也找不出原因來。

后來，和尚把磐鎖在一間空房子里，它仍然不敲自鳴。和尚百思不得其解，竟因此嚇得大病一場(chǎng)。他的朋友曹紹夔聽說后，特地去看望他，問明了事由，就仔細(xì)研究起來。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)寺院敲鐘時(shí)，磐也響起來了，而且每次自鳴都出現(xiàn)在廟里敲鐘的時(shí)候。

第二天，曹紹夔用一把銼刀在磬上銼了兩下，說句:“善哉，善哉?！蹦桥途筒辉僮曾Q了。和尚問其道理，曹紹夔笑道:“此磬與律合，故擊此彼應(yīng)也?！边@就是共鳴。

19世紀(jì)中葉，在法國(guó)里昂附近有一座102米長(zhǎng)的橋，一隊(duì)士兵以整齊的步伐走在橋上。突然橋由于發(fā)生共振而倒塌，士兵們落入水中。在這次事件中，死亡226人。以后，部隊(duì)過橋都不許齊步走，只許便步走。

共振在很多場(chǎng)合是有害的，必須設(shè)法防止。例如，有經(jīng)驗(yàn)的人挑水的時(shí)候，總是把兩頭的繩子放長(zhǎng)一些，這樣挑起來要穩(wěn)定些，同時(shí)還要在水面上放一片木板。放長(zhǎng)了繩子可以使擔(dān)子的固有頻率變小，與人肩頭擺動(dòng)的頻率錯(cuò)開;加上木板防止了水和肩頭擺動(dòng)發(fā)生共振，避免水濺到桶外。

再如，火車輪和車軌縫相撞時(shí)也可能引起共振。在制造火車時(shí)必須考慮到車廂下彈簧的固有頻率，防止發(fā)生共振。沖床、汽錘和各種機(jī)械在工作時(shí)都有一定的頻率，工程師在設(shè)計(jì)廠房和安裝設(shè)備時(shí)，也應(yīng)當(dāng)采取措施，避免發(fā)生共振。

但是，我們也可以變害為利，讓共振來為我們服務(wù)。

在煤礦工業(yè)里常用共振篩來分煤炭和碎石。還可以利用共振破冰，為船舶開道。我國(guó)科技人員還利用共振原理，研究出了木材切削新工藝和新設(shè)備，等等。

利用物體共振產(chǎn)生共鳴原理制成的樂器，更是比比皆是。

共鳴的現(xiàn)象早就被古代科學(xué)家注意到了。2300多年前的莊子，就講過調(diào)瑟時(shí)發(fā)生共鳴的現(xiàn)象。他說，在清靜的房間里調(diào)瑟上的do弦，別的do弦也動(dòng)了;調(diào)mi弦，別的mi弦也動(dòng)。這是因?yàn)椤耙袈上嗤木壒省薄?/p>

人們正是利用這種音律相同的原理制造樂器的。

中國(guó)民間樂器二胡，構(gòu)造很簡(jiǎn)單，由一個(gè)木柄，兩根弦和一個(gè)琴筒組成。琴弦是二胡的發(fā)聲體，它們通過彈撥或摩擦而振動(dòng)發(fā)音。但是弦很細(xì)，與周圍空氣的接觸面積很小，再強(qiáng)烈地振動(dòng)，也攪動(dòng)不了多少空氣，所以它發(fā)出的聲音也不會(huì)很強(qiáng)。

但是，把弦的振動(dòng)通過琴碼傳給蒙皮，再引起腔體里空氣的振動(dòng)，情況就不同了。蒙皮與空氣的接觸面很大，蒙皮一振動(dòng)能攪動(dòng)許多空氣，這樣就把聲音“放大”了。二胡下邊的蒙皮和腔體，就是共鳴箱。當(dāng)共鳴箱體的固有頻率和弦的頻率合拍時(shí)，就發(fā)生共鳴。

樂器的共鳴箱不僅有放大作用，而且兼有改善樂器音色的作用。例如，音箱的固有頻率在低音范圍，演奏到某些音調(diào)時(shí)，由于共鳴的作用，泛音可以很強(qiáng)，使音色優(yōu)美動(dòng)聽。在這方面，充分顯示了中國(guó)人民的聰明智慧。