书城童书物理知识知道点:走进声音世界
32405600000056

第56章 同情摆与共振

找一根木棍,把它架起来,再用两条同样长的小线分别拴上两个小锁,就做成了两个固有频率相同的摆。用图钉把它们钉在木棍上,等它们静止以后,你轻轻地推一下其中的一个摆,让它自由振动。过一会儿,你会看到另一个摆不推自己振动起来了。

这就是著名的“同情摆”实验。它说明一个物体振动时,可以引起另一个物体的振动。共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语。共振的定义是两个振动频率相同的物体,当一个发生振动时,引起另一个物体振动的现象。

共振在声学中亦称“共鸣”,它指的是物体因共振而发声的现象,如两个频率相同的音叉靠近,其中一个振动发声时,另一个也会发声。

我们再用小线和小锁做一个摆,摆长不要和那两个相同,挂上它。看!这第三个摆对它们就不那么“同情”了,因为它的固有频率和前两个不相同。

这种“同情”共振在很多场合都是有害的,必须设法防止。例如,有经验的人挑水的时候,总是把两头的绳子放长一些,这样挑起来要稳当些,同时还要在水面上放一片木板。放长了绳子可以使担子的固有频率变小,与人肩头摆动的频率错开;加上木板防止了水和肩头摆动发生共振,避免水溅到桶外。还有火车车轮和车轨缝相撞时也可能引起共振,在制造火车时必须考虑到车厢下弹簧的固有频率,防止发生共振。冲床、汽锤和各种机械在工作时都有一定的频率,工程师在设计厂房和安装设备时,也应当采取措施,避免发生共振。但是,这并不是惟一的办法。

1900年秋,俄国巡洋舰“雷击”号作航行试验。按照设计,这艘军舰的速度可以达到38.9千米/时,发动机的轴每分钟可以转125转。“雷击”号发动机转速达到105转/分的时候,航速刚刚达到33.3千米/时,舰身就发生了剧烈的摇摆,连鱼雷发射管里的鱼雷也给震落到海里。怎么办?舰长当机立断,再提高转速,加快航行,那可怕的摇摆反而平息了下去。原来,105转/分时会发生共振!类似的事件还有不少,有的巨轮就曾因共振而覆没。

现代的许多机器都是可以变速的,当它达到某一转速时就会引起共振,这就是机器转速的“禁区”。为了防止因共振发生事故,我们在开动机器时首先要了解这个转速的“禁区”——临界转速。

我们也可以利用共振。在煤矿工业里常用共振筛来筛分煤炭和碎石。它的基本原理就是利用电动机推动筛子往复振动,为了提高效率,就需要调整策动力的频率和筛子的固有频率,使两者发生共振。

还可以利用共振破冰,为船舶开道。这种破冰船是现代的气垫船,气垫船先“浮”在冰层上行驶,把一部分气垫压到冰层下边,形成一个空气腔,然后利用共振效应,使冰层一触即破。

1980年,我国的青年技术人员在专家指导下,利用共振原理,研究出了木材切削新工艺和新设备。这种设备不用电动机,是以电磁铁为动力,利用机械共振带动刀头切削木材的。他们创制的木工电磁振动刨,不但能平刨普通木材,而且能把极短的木料和极薄的木片刨平,这是手工操作无能为力的。