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在量子学领域或者振动领域之中的、在波和形式之间的统一性或者说潜在的振动特征,这种特征被我们理解为现实世界,他们断定这些粒子或者外形,振动或者运动就是证明现实的两个极点,这个现实就是:振动。
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在我们进一步理解共振的时候,我们必须花点时间弄清楚驻波的概念。驻波就是一个稳定的波遇到了一个“反射障碍物”或者另一个波。入射波和反射波在同一速率运动,但是因为它们朝着反方向运动,其中一个波的波峰和波谷对另一个波的波峰和波谷产生了干扰。波峰和波谷形成了一种图案,这种图案被称为“节点”或者“反节点”,是由一些静止的点和波峰、波谷组成。
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最强的驻波发生在波与波之间发生发射时,并且匹配完全正确的尺寸和形状,让入射波与它们自己的反射、再反射之间产生同相性。这种情况下产生的频率就是一个物体内的振动而生的共振频率。一连串不同波长的音波发生反弹,反射和再反射,就产生了我们所听到的敲击音叉时的声音。音叉在一个特定的音高发出声音,取决于声波在一秒内从物体的一头到另一头来回往复传送的次数。同步或者同相的声音伴着相匹配的共振频率,实际上产生了更大的波形或者振动,直到“阻尼”产生,从而终止整个过程。(想象一下:一名歌剧演唱家用她的高音震碎了一块振动着的玻璃,而使它停止振动。)
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自然共振
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整个自然界都存在着共振,在很多人造器具中也是如此,一些自然的和人造的共振包括:
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1. 乐器和声带产生的声学共振。
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2. 现代钟表的计时机械装置;机械表中的摆轮和石英表里的石英晶体。
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3. 芬迪湾的潮汐产生的共振。
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4. 月球和太阳系的一些气态巨星的轨道共振。
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5. 耳蜗的基底膜的共振,这种共振能够让人们区分出不同声音的频率和音调。
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6. 安置在镍锌铁氧体细杆上,用做调幅广播天线使用的共振拾音器线圈(比波段要小得多)。
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7. 调谐电路上的电子共振,使私人电台或者电视能够被收到。
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8. 光学谐振腔创造的激光光束。
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9. 一定乐音的音高使水晶酒杯震碎(符合它的共振频率时)。
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由维基百科提供
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如果所有这些科学让你感到饥饿,别担心!你会发现共振与你烹饪的食物也有关联。比如,你知道了不起的方便小堡垒——微波炉——在工作时并没用使用外部热能吗?你又相信共振是其原因吗?想吃一块又厚又多汁的美味牛排?把牛排放在微波炉里面,微波辐射自炉体内部产生。采用和牛排中的水分子同样的共振频率,从内部加热和烹饪牛排。怎么可能呢?尽管这美味的牛排在我们看来是固体状,实际上它是一团蕴含水分的不停振动着的分子。微波产生的能量(因此,振幅——即振动运动的程度,是由交替着的振动波从中间位置到最大值偏移的平均值计算出来的)加热并将这块生肉和水变成美味多汁、令人垂涎的上等腰肉牛排。
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在所有共振类型中,“力学共振”(mechanical resonance)是最复杂的共振类型之一。力学共振描述了一个力学系统,当它的振荡或者振动频率跟其它自然的共振频率相同时,如何能够吸收更多的能量。一些事物的确拥有不只一种自然共振频率,特别是谐波,它就由多种频率组成。
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另一个关于机械共振的有趣例子,来自一则军队行军穿过一座桥梁的轶闻。行军时用紧密的步子会产生跟桥的自然振动一样的共振频率,从而可能造成桥梁坍塌。有一个众所周知的事实,就是军队在行进时被命令用随意的乱步而不是紧密一致的步伐来避免共振造成破坏。不管他们用一致的步伐行进是否会弄垮一座桥,我们知道此类事件的确曾有先例。
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图1-1 塔克马大桥。塔克马大桥在1940年11月垮塌,据传是由于机械共振所致。(图片来自维基百科)
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1940年11月,华盛顿的塔克马大桥(Tacoma Narrows Bridge)垮塌的部分原因,被认为是其自身的共振频率和刮过的大风的共振频率产生了一致。这一大桥垮塌事件实际上在工程学中产生了持续的影响。在一些本科的物理课本中,这一大桥垮塌事件被当做初级强迫共振的案例。风提供了外部的周期性频率,这一频率跟建筑的自然频率相符。从那时起,大桥垮塌的真正原因就被认为是气动弹性振颤。大桥垮塌事件使人们加大了对大桥的空气动力学和气动弹性学的研究,并且影响了其后所有长跨度的大桥设计。
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伦敦的千禧桥(Millennium Bridge),一座由钢铁制成的吊桥,横跨于泰晤士河(River Thames)上。在2000年6月正式开放的那天,超过8万多人挤上千禧桥,造成了桥身摇晃,也正是这个原因,这座桥仅开放几天后就关闭,禁止通行。建筑工程师们指出横向振动(结构上的共振反应)是关闭千禧桥并改进的原因。伦敦的人们也给千禧桥取了“摇摆桥”这样一个绰号。
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甚至建筑物都会因机械共振而倒塌。有许多人认为我们敬爱的杰出科学家之一,尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla),是共振实验的先驱者之一。特斯拉是塞尔维亚人,是世界知名的机械工程师和电力工程师,他时常被敬称为现代最重要的科学家以及发明家。特斯拉在他纽约的实验室里创造了力学振动机,这个设备导致了当地一些建筑物产生了令人不安的摇晃。也正因为此,纽约警察局对他的功绩也十分熟悉!在第二章里面,我们将了解更多特斯拉在共振领域的贡献。
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