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龍記實業有限公司 > 生活休閒 > 科武新知 > 共振,能把地球一裂為二


作者 : 草蝦

性別 : 男

文章主題 : 共振,能把地球一裂為二

人氣 : 676

  古希臘的學者阿基米德曾豪情萬丈地宣稱:給我一個支點,我能撬動地球。而現代的美國發明家特士拉更是「牛氣」,他說:用一件共振器,我就能把地球一裂為二!

  他來到華爾街,爬上一座尚未竣工的鋼骨結構樓房,從大衣口袋裡掏出一件小物品,把它夾在其中一根鋼樑上,然後按動上面的一個小鈕。數分鐘後,可以感覺到這根鋼樑在顫抖。慢慢地,顫抖的強度開始增加,延伸到整座樓房。最後,整個鋼骨結構開始吱吱嘎嘎地發出響聲,並且搖擺晃動起來。驚恐萬狀的鋼架工人以為建築出現了問題,甚至是鬧地震了,於是紛紛慌忙地從高架上逃到地面。眼見事情越鬧越大,他覺得這個惡作劇該收場了,於是,把那件小物品收了回來,然後從一個地下通道悄悄地溜開了,留下工地上的那些驚魂甫定、莫名其妙的工人。

  上面這一段是一本書中有關美國著名發明家特士拉進行共振器發明的描寫,裡面所說的「小物品」便是一個共振器。可以預見,若是他把這個小物品再開上那麼十來分鐘,這座建築物準會轟然倒地。書中說,用同樣的這個小物品,在一小時不到的時間內,也能把布魯克林大橋(連接紐約曼哈坦島和長島的大橋)摧毀,使之墜入幽深黑暗的海底。而且,在這本書裡,特士拉甚至說:用這件小物品,我還能把地球一裂為二!

  這該是一本科幻或者荒誕小說吧?否則,一件大不過拳頭、重不過幾斤的小東西,真的就有那麼厲害,能把一座巍然聳立的大樓甚至是一座巨無霸似的大橋震垮?它是一件什麼物品呢?

  原來,它是一件共振器,它的威力主要在於它能發出各種頻率的波,這些不同頻率的波作用於不同的物體,就能夠相應地產生出一種共振波,當這種共振波達到一定程度時,就能使物體被摧毀。

  如果你對共振的威力還有懷疑,那就讓我們一起來瞭解共振吧。

  共振創造了世界

  共振是物理學上的一個運用頻率非常高的專業術語。共振的定義是兩個振動頻率相同的物體,當一個發生振動時,引起另一個物體振動的現象。

  共振在聲學中亦稱「共鳴」,它指的是物體因共振而發聲的現象,如兩個頻率相同的音叉靠近,其中一個振動發聲時,另一個也會發聲。

  在電學中,振蕩電路的共振現象稱為「諧振」。

  產生共振的重要條件之一,就是要有彈性,而且一件物體受外來的頻率作用時,它的頻率要與後者的頻率相同或基本相近。從總體上來看,這宇宙的大多數物質是有彈性的,大到行星小到原子,幾乎都能以一個或多個固有頻率來振動。

  共振不僅在物理學上運用頻率非常高,而且,共振現象也可以說是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現象之一,所以在某種程度上甚至可以這麼說,是共振產生了宇宙和世間萬物,沒有共振就沒有世界。

  我們都知道,宇宙是在一次劇烈的大爆炸後產生的。而促使這次大爆炸產生的根本原因之一,便是共振。當宇宙還處於渾沌的奇點時,裡面就開始產生了振蕩。最初的時候,這種蕩振是非常微弱的。漸漸地,振蕩的頻率越來越高、越來越強,並引起了共振。最後,在共振和膨脹的共同作用下,導致了一陣驚天動地的轟然巨響,宇宙在瞬間急劇膨脹、擴張,然後,就產生了日月星辰,於是,在地球上便有了日月經天、江河行地,也有了植物蓬勃葳蕤、動物飛翔騰躍。

  共振不僅創造出了宏觀的宇宙,而且,微觀物質世界的產生,也與共振有著密不可分的干係。從電磁波譜看,微觀世界中的原子核、電子、光子等物質運動的能量都是以波動的形式傳遞的。宇宙誕生初期的化學元素,也可以說是通過共振合成和產生的。有一些粒子微小到簡直無法想像,但它們可以在共振的作用之下,在100萬億分之一秒的瞬間,互相結合起來,於是新的化學元素便產生了。因為宇宙中這些粒子的生成與共振有著如此密切的關係,所以粒子物理學家經常把粒子稱為「共振體」。

  既然共振是宇宙間一切物質運動的一種普遍規律,人及其它的生物也是宇宙間的物質,當然共振也是普遍存在於這些生命中了。

  人除了呼吸、心跳、血液循環等都有其固有頻率外,人的大腦進行思維活動時產生的腦電波也會發生共振現象。類似的共振現象在其它動物身上也同樣普遍地存在著。我們喉嚨間發出的每個顫動,都是因為與空氣產生了共振,才形成了一個個音節,構成一句句語言,才能使我們能夠用這些語言來表達我們的情感和進行社會交往。

  許多動物身上還存在著其它一些形式的共振現象。炎熱的午間,蟬兒發出的「知了、知了」聲;寧靜的夜晚,蟋蟀發出的「嘰—嘶」聲;還有不知疲倦的大肚子蟈蟈的鳴叫聲,儘管這些昆蟲的聲調大不相同,但其中的共同之處都是借助了共振的原理,都是靠摩擦身體的某一部位與空氣產生共鳴而發聲。除了昆蟲之外,鳥類也是巧妙地運用著共振來演奏生命之曲的大師,它們運用共振所發出的圓潤婉轉的鳴叫聲,是自然界生命大合唱中最為優美的聲部和旋律。因此,可以這麼說,如果沒有共振,世界將會失去多少天籟、大地將會變得多麼死寂!

  其實更為重要的是,共振能充當地球生物的保護神。我們知道,紫外線是太陽發出的一種射線,它們如果大舉入侵地球,人類及各種生物勢必遭受極大的危害,因為過量的紫外線會使生物的機能遭到嚴重的破壞。不過不用擔心,我們有大氣層中的臭氧層,是它們借助於共振的威力,阻止了紫外線的長驅直入。當紫外線經過大氣層時,臭氧層的振動頻率恰恰能與紫外線產生共振,因而就使這種振動吸收了大部分的紫外線。所以,共振能使大氣中的臭氧層變得如防曬油一樣,保證我們不至於被射線的傷害。

  另外,共振還能使地球維持在適當的溫度,給地球生命創造出一個冷熱適宜的生長環境。因為雖然經過臭氧層的堵截圍追,但仍有少部分紫外線能夠成功地突破層層防線,到達地球表面。這部分紫外線經過地球吸收後,能量減少,變為紅外線,擴散回大氣中。而紅外線的熱量,又恰好能和二氧化碳產生共振,然後被「挽留」在大氣層中,使大氣層保有一定溫度,讓萬物在溫暖和煦的環境中孕育成長。

  俗話說萬物生長靠太陽,其實也可以這麼說:萬物生長靠共振。因為我們所熟知的植物的光合作用,亦是葉綠素與某些可見光共振,才能吸收陽光,產生氧氣與養分。所以沒有共振,植物便不能生長,人類和許多動物也就因此會失去了食物的來源。也就是說,沒有共振,地球上的生命便不能長期存在。

  共振還是一個善於使用色彩和色調的魔幻繪畫師,把我們所看到的每一件物體都神奇地染上了顏色,使我們這個世界變得五彩斑斕、艷麗繽紛。鈉光是黃的,因為鈉原子的振動產生所產生的是黃色的光。水銀原子的振動發出藍光。氖原子送出的振動到了你眼中,就成為了紅色。在地面,共振也把所有的物體都染上了各式各樣的顏色,從花卉到水果。紅蘋果把太陽光中我們稱為藍光和綠光的振動頻率吸收了,因此我們看到的它就是紅艷艷的、令人饞涎欲滴的樣子。綠葉中的葉綠素分子的振動頻率在太陽的紅光及藍光範圍,所以共振把這兩種顏色都「貪污」了,而只把綠的顏色反射入我們的眼裡,因此樹葉看上去便是生機盎然濃綠或嫩綠。也是這同一片葉子,到了秋天的時候,它被共振所「貪污」的卻是綠光,因而這時反射出的是或黃或紅的色彩,映襯出秋天的蒼涼和淒美。就是那種很虛幻的彩虹也是因為有了共振,才有了赤橙黃綠青藍紫。因此,我們的生活中有著如此美麗迷人的花紅柳綠、斑斕爛漫,也無不是拜共振之所賜。

  共振亦能毀滅世界

  任何事物都是有兩面性的,共振並非完完全全都是給我們帶來福音,它也有著非常巨大的危害性。

  說到共振的危害時,人們最為熟知和引用得最多的,便是下面這個例子:18世紀中葉,一隊士兵在指揮官的口令下,邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐,通過法國昂熱市一座大橋,快走到橋中間時,橋樑突然發生強烈的顫動並且最終斷裂坍塌,造成許多官兵和市民落入水中喪生。後經調查,造成這次慘劇的罪魁禍首,正是共振!因為大隊士兵齊步走時,產生的一種頻率正好與大橋的固有頻率一致,使橋的振動加強,當它的振幅達到最大限度直至超過橋樑的抗壓力時,橋就斷裂了。類似的事件還發生在俄國和美國等地。有鑒於此,所以後來許多國家的軍隊都有這麼一條規定:大隊人馬過橋時,要改齊走為便步走。

  對於橋樑來說,不光是大隊人馬厚重整齊的腳步能使之斷裂,那些看似無物的風兒同樣也能對之造成威脅。1940年,美國的全長860米的塔柯姆大橋因大風引起的共振而塌毀,儘管當時的風速還不到設計風速限值的1/3,可是因為這座大橋的實際的抗共振強度沒有過關,所以導致事故的發生。每年肆虐於沿海各地的熱帶風暴,也是借助於共振為虎作倀,才會使得房屋和農作物飽受摧殘。近幾十年來,美國及歐洲等國家和地區還發生了許多起高樓因大風造成的共振而劇烈搖擺的事件。

  也是由於共振的力量,巨大的冰川能被「溫柔」的海洋波濤給拍裂開。甚至於美國阿拉斯加李杜牙灣經常出現的高達上百米的巨浪,也是由於共振在其中發揮了很大的「推波助瀾」的作用。因為共振在這個海灣「作威作福」實在是太厲害了,所以許多航海人對這個海灣都是「敬」而遠之。

  給人類帶來重大傷亡和財產損失的地震,其中亦有共振的「幢幢魔影」:當地殼裡的某一板塊發生斷裂時,產生的波動頻率傳到地面上,與建築物產生強烈的共振,於是,就造成了屋毀人亡的慘劇。

  實際上,共振的危害程度和範圍還無遠遠不止於此。持續發出的某種頻率的聲音會使玻璃杯破碎。機器的運轉可以因共振而損壞機座。高山上的一聲大喊,可引起山頂的積雪的共振,頃刻之間造成一場大雪崩。行駛著的汽車,如果輪轉週期正好與彈簧的固有節奏同步,所產生的共振就能導致汽車失去控制,從而造成車毀人亡……

  人們在生活和生產中會接觸到各種振動源,這些振動都可能會對人體產生危害。由科學測試知道人體各部位有不同的固有頻率,如眼球的固有頻率最大約為60赫茲,顱骨的固有頻率最大約為200赫茲等;把人體作為一個整體來看,如水平方向的固有頻率約為3—6赫茲,豎直方向的固有頻率約為48赫茲。因此,跟振動源十分接近的操作人員,如拖拉機駕駛員,風鎬、風鏟、電鋸、鎦釘機的操作工,在工作時應盡量避免這些振動源的頻率與人體有關部位的固有頻率產生共振。並且,為了保障工人的安全與健康,有關部門己作出了相應規定,要求用手工操作的各類振動機械的頻率必須大於20赫茲。

  對人危害程度尤為厲害的是次聲波所產生的共振。次聲波是一種每秒鐘振動很少、我們耳朵聽不到的聲波。次聲波的聲波頻率很低,一般均在20兆赫以下,波長卻很長,不易衰弱。自然界的太陽磁暴、海浪咆哮、雷鳴電閃、氣壓突變、火山爆發;軍事上的原子彈、氫彈爆炸試驗,火箭發射、飛機飛行等等,都可以產生次聲波。在我們工作、學習和生活的周圍,能夠產生次聲波的小型動力設備很多,如鼓風機、引風機、壓氣機、真空泵、柴油機、電風扇、車輛發動機等。次聲波的這種神奇的功能也引起了軍事專家的高度重視,一些國家利用次聲波的性質進行次聲波武器的研製,目前已研製出次聲波槍和次聲波炸彈。不論是次聲波槍還是次聲波炸彈,都是利用頻率為16—17赫茲的次聲波,與人體內的某些器官發生共振,使受振者的器官發生變形、位移或出血,從而達到殺傷敵方的目的。現代科學研究已經證明,大量發射的頻率為16—17赫茲的次聲波會引起人體無法忍受的顫抖,從而產生視覺障礙、定向力障礙、噁心等症狀,甚至還會出現可導致死亡的內臟損壞或破裂。這種次聲波武器可以說是人類運用共振來危害人類自己的一種技術上的極致。

  巧除共振的危害

  共振給人們帶來意想不到的災難,那麼,人們能不能消除這些災難呢?為此,人們經過實踐,總結出許多消除共振的辦法。

  據史籍記載,我國晉代就有人對共振現象作出了正確的解釋,並已經能夠完全認識到,防止共振的最好的方法是改變物體的固有頻率,使之與外來作用力的頻率相差越大越好。

  古時還有一個有趣的故事,說的就是人們如何巧妙地消除共振的。唐朝時候,洛陽某寺一僧人房中掛著的一件樂器,經常莫名其妙地自動鳴響,僧人因此驚恐成疾,四處求治無效。他有一個朋友是朝中管音樂的官員,聞訊特去看望他。這時正好聽見寺裡敲鐘聲,那件樂器又隨之作響。於是朋友說:你的病我可以治好,因為我找到你的病根了。只見朋友找到一把鐵剉,在樂器上剉磨幾下,樂器便再也不會自動作響了。朋友解釋說這件樂器與寺院裡的鐘聲的共振頻率相合,於是敲鐘時樂器也就會相應地鳴響,現在把樂器稍微剉去一點,也就改變了它的固有振動頻率,它就不再能和寺裡的鐘聲共鳴了。僧人恍然大悟,病也就隨著痊癒了。

  到了今天,人類對付共振危害的方法更是多種多樣和更加先進。例如:人們在電影院、播音室等對隔音要求很高的地方,常常採用加裝一些海綿、塑料泡沫或布簾的辦法,使聲音的頻率在碰到這些柔軟的物體時,不能與它們產生共振,而是被它們吸收掉。又如電動機要安裝在水泥澆注的地基上,與大地牢牢相連,或要安裝在很重的底盤上,為的是使基礎部分的固有頻率增加,以增大與電機的振動頻率(驅動力頻率)之差來防止基礎的振動。

  大街上的行人、車輛的喧鬧聲、機器的隆隆聲——這些連綿不斷的噪聲不僅影響人們正常生活,還會損害人的聽力。於是人們發明了一種消聲器,它是由開有許多小孔的孔板和空腔所構成,當傳來的噪聲頻率與消聲器的固有頻率相同時,就會跟小孔內空氣柱產生劇烈共振。這樣,相當一部分噪聲能在共振時被「吞吃」掉,而且還能夠轉變為熱能來進行使用。

  利用共振能帶來福祉

  實際上,中國人對於共振的運用,還可以追溯到很久遠的年代。

  早在戰國初期,當時的人就發明了各種各樣的共鳴器,用來偵探敵情。《墨子•備穴》記載了其中的幾種:

  在城牆根下每隔一定距離挖一深坑,坑裡埋置一隻容量有七八十升的陶甕,甕口蒙上皮革,這樣,實際上就做成了一個共鳴器。讓聽覺聰敏的人伏在這個共鳴器上聽動靜,遇有敵人挖地道攻城的響聲,不僅可以發覺,而且根據各甕甕聲的響度差可以識別來敵的方向和遠近。另一種方法是:在同一個深坑裡埋設兩隻蒙上皮革的甕,兩甕分開一定距離,根據這兩甕的響度差來判別敵人所在的方向。

  以上幾種方法被歷代軍事家因襲使用。明代抗倭名將戚繼光曾用上面的方法來偵聽敵人鑿地道的聲音。甚至在本世紀的一些現代戰爭中,不少國家和民族還繼續採用這些方法。

  我國古時還發明出了另一種更加輕巧、簡便、實用的共鳴器。如唐代的軍隊中就有一種用皮革製成的叫做「空胡鹿」的隨軍枕,讓聽覺靈敏和睡覺警醒的戰士在宿營時使用,「凡人馬行在三十里外,東西南北皆響聞」。當聲音通過地面傳播到空穴時,在空穴處產生交混迴響,於是就能知道敵人的多寡遠近。值得一提的是,這種用竹筒聽地聲的方法正是現代醫用聽診器的濫觴。

  宋代的科學家沈括就曾巧妙地利用共振原理設計出了在琴弦上跳舞的小人:先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要調好,然後剪一些小小的紙人夾在各弦上。當彈動不夾紙人的某一弦線時,凡是和它共振的弦線上的紙人就會隨著音樂跳躍舞動。這個發明比西方同類發明要早幾個世紀。

  到了現代,隨著科技的發展和對共振研究的更加深入,共振在我們的社會和生活中「震盪」得更為頻繁和緊密了。

  弦樂器中的共鳴箱、無線電中的電諧振等,就是使系統固有頻率與驅動力的頻率相同,發生共振。我們在建築工地經常可以看到,建築工人在澆灌混凝土的牆壁或地板時,為了提高質量,總是一面灌混凝土,一面用振蕩器進行震盪,使混凝土之間由於振蕩的作用而變得更緊密、更結實。此外,粉碎機、測振儀、電振泵、測速儀等,也都是利用共振現象進行工作的。

  進入20世紀以後,微波技術得到長足的發展,使我們人類的生活進入了一個全新的、更加神奇的領域。而微波技術正是一種把共振運用得非常精妙的技術。微波技術不僅廣泛應用在電視、廣播和通訊等方面,而且「登堂入室」,與人們的日常生活愈來愈密切相關,微波爐便是家庭應用共振技術的一個最好體現。具有2500赫茲左右頻率的電磁波稱為「微波」。食物中水分子的振動頻率與微波大致相同,微波爐加熱食品時,爐內產生很強的振蕩電磁場,使食物中的水分子作受迫振動,發生共振,將電磁輻射能轉化為熱能,從而使食物的溫度迅速升高。微波加熱技術是對物體內部的整體加熱技術,完全不同於以往的從外部對物體進行加熱的方式,是一種極大地提高了加熱效率、極為有利於環保的先進技術。

  人的一生中,離不開音樂的「沐浴」和「滋潤」,而優美曼妙的音樂裡也無不蘊藏著共振的「精靈」。專家研究認為,音樂的頻率、節奏和有規律的聲波振動,是一種物理能量,而適度的物理能量會引起人體組織細胞發生和諧共振現象,這種聲波引起的共振現象,會直接影響人們的腦電波、心率、呼吸節奏等,使細胞體產生輕度共振,使人有一種舒適、安逸感,音律的變化使人的身體有一種充實、流暢的感覺。它活化了體內的細胞,加快了血液的流動,激活了人的物理層次的生命潛能。人們還發現,當人處在優美悅耳的音樂環境中,可以改善精神系統、心血管系統、內分泌系統和消化系統的功能,促使人體分泌一種有利健康的活性物質,提高大腦皮層的興奮性,振奮人的精神,讓人們的心靈得到了陶冶和昇華。所以,人們已經開始運用音樂產生的共振,來緩解人們由於各種因素造成的緊張、焦慮、憂鬱等不良心理狀態,而且還能用於治療人的一些心理和生理上的疾病。

  我們知道,粒子加速器對於物理學的研究和發展是至關重要的,而粒子加速器對於共振的運用,用「登峰造極」來形容也一點不為過。在粒子物理的基本小宇宙中,每一種能量都有對應的頻率,反之亦然,這是很自然的物質互補原理,既有波又有粒子的特性。物質因為具有波的性質,也就有了頻率。粒子加速器就是運用了這樣的共振原理,把許多小小的「波紋」迭加起來,結果變成很大的「波峰」,可把電子或質子推到近乎光速,在高速的相撞下產生粒子來。

  總而言之,共振不僅是一種客觀存在,它也是有待於進一步開拓的科技領域。共振技術普遍應用於機械、化學、力學、電磁學、光學及分子、原子物理學、工程技術等幾乎所有的科技領域。如音響設備中揚聲器紙盆的振動,各種弦樂器中音腔在共鳴箱中的振動等利用了「力學共振」;電磁波的接收和發射利用了「電磁共振」;激光的產生利用了「光學共振」;醫療技術中則有已經非常普及的「核磁共振」等。在21世紀開始的正在蓬勃發展的信息技術、基因科學、納米材料、航天高科學技術大發展的浪潮中,更是大量運用到共振技術。而且隨著科學的發展,可以預見,共振將會對我們這個社會產生更加巨大的「震盪」。

  人物介紹:特士拉(1856-1943),美國人,世界著名發明家,被人稱為發明大王。曾任愛迪生助手,發明無數超時代的東西,為後來的發明開路,如機器人、雷達、霓虹燈、螢光燈、無線電遙控、無線電報、蒸汽渦輪、高頻發電機、速率計、交流電動機等。如現在最常看見的特士拉線圈便也是他的發明。他的名字已被國際採用為磁場的單位。可惜的是因為他的發明超前時代太多,因而經濟效益不大,他死時分文莫名。


發表時間 :2004/12/29  


 

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