从“鸣沙”现象谈共振

从“鸣沙”现象谈共振

到了坐落在黄河边上的宁夏鸣沙州，会发生这样的现象:当人们爬上沙丘或从上面滑下来时，随着沙粒的倾泻，可以听到清脆悦耳的声音，像唱歌一样。

原来是由共振引起的。任何一个物体都有一个固有频率，它的数值大小取决于物体的性质，如果在这个物体上加一个周期性变化的外力，当外力的频率等于物体的固有频率时，物体就会发生剧烈的振动，这种现象即被称为共振。

在日常生活中，当士兵、马队步伐整齐地过桥时，就会给桥施加一个周期性变化的外力，如果其频率等于或接近于桥的固有频率，桥就会发生共振，振幅迅速增大，严重时会把桥震坍。历史上曾发生过不少由此导致的悲剧。

除了人力的影响外，自然力产生的共振现象也是不可低估的。1940年美国的塔科玛海峡有一座长八百米、高几十米的大桥突然莫名其妙地垮了，此桥的结构原是非常牢固的。事后科学家们分析了一切可疑的地方，最后终于从气象资料中找到了答案，破坏桥梁的罪魁祸首是风。其实那天风力并不大，但由于它吹一阵歇一阵交替地进行，这交替阵风的频率正好与桥梁的固有频率一致，使桥在阵风的作用下发生了共振，最终导致桥被震垮。因此为了避免桥梁、船舶、飞机、房屋等因共振而摧毁，设计师们就要考虑它们所处的环境中有哪些交替的作用力，这些力的频率在什么范围内，以力图使设计对象的固有频率在此范围以外。

除了力学中的共振例子以外，在声学、电学、光学、原子物理学中，也都普遍存在着共振现象。

在声学中，声音的共振被称为共鸣。早在古代人们就应用共鸣原理来加强琵琶等弦乐器的演奏效果。这些乐器都带有一个被称为共鸣箱的“箱子”，在演奏中，当弦振动发声的时候，箱里的空气柱发生共鸣，也发出声音，使乐器的声音变得更加洪亮、动听。同样，好的歌唱演员会巧妙地利用呼吸，使胸腔和声带发出的声音发生共鸣，这样唱出来的歌声也就更加嘹亮、悦耳。

此道理就是如此:当沙丘表面的沙粒倾泻的时候，沙层间摩擦产生的声音频率同沙丘的固有频率相同，引起了沙丘的共鸣。

在电学中，共振的应用也很普遍。当打开收音机后，只要转动旋钮，就可以随意选择所要听的广播，坐在房间里，能够收听到国内外的新闻和娱乐节目，多么方便呀!但这一切是如何实现的呢?

其实，这里收音机上小小的调台旋钮起了不小的作用。这个旋钮与一个可变电容相联，此电容与电感线圈组成了一个调谐回路，它具有一个由电容器的电容的电容量和线圈的电感决定的固有频率。同学们都知道，各电台分别按自己的频率向空中发送无线电波，收音机通过天线线圈感应出具有各电台频率的微小电流。当调台旋钮调到某个位置时，调谐回路的固有频率与某电台所发送的无线电波频率相同，这时会发生共振现象，人们称之为谐振。于是该电台的信号被显著地加强并选出，再经放大电路放大，最后被还原为声音。电视机的选台原理也是如此。

另外，激光的产生同样应用到了共振原理。大家知道:组成物质的原子由原子核和绕核运动着的电子组成，当电子在较外层的轨道上运动时，原子具有较大的量。处于高能态的原子设有低能态的稳定，它有返回低能态的趋势，当原子从高能态跃迁到低能态时就会发光，我们称之为辐射。如果原子自发地完成此跃迁过程，我们就称之为自发辐射;如果用一了外来光来诱发高能态的原子跃迁到低能态，当外来光的频率等于高能态原子的固有频率时，就会发生共振，引起原子的辐射，此时我们称之为受激辐射。