共振與共鳴

一九○六年俄國首都彼德格勒（今列寧格勒）有一支全副武裝的沙皇軍隊,步伐整齊,不可一世地通過愛紀畢特大橋.這座大橋十分堅固,縱然跑過千軍萬馬也難以撼動.可是正在指揮官洋洋得意的時候,突然間嘩啦一聲巨響,大橋崩塌了.頓時間,官兵,輜重、馬匹紛紛落水,馬嘶人號,狼狽不堪…….經(jīng)過長期追查研究,發(fā)現(xiàn)并不是有人故意破壞,肇事的就是受害者自己.傷亡事故的根本原因是「共振」在作怪.
什么叫共振呢?可以打個粗淺的比方來說明：一個人坐在秋千板上不動,另一個人一下一下地推,假設(shè)每當秋千蕩去的時候就推一下,如此合拍她進行下去,秋千會越蕩越高.用嚴格的物理學語言來說,振動體在周期性變化的外力作用下,當外力的頻率與振動體固有頻率很接近或相等時,振動的幅度就急劇增大,這種現(xiàn)象叫做共振.上面所提到的那些軍人的步伐太整齊了,而其頻率恰好接近于愛紀畢特大橋作自由振動的固有頻率,激起了橋梁的共振,結(jié)果造成了大事故.為了接受這次血的教訓,此后世界各地都先后規(guī)定：凡大隊人馬過橋時必須碎步走,極力避免這種破壞性的共振現(xiàn)象重演.
前面已經(jīng)說過,發(fā)聲體就是一個振動體.它在空氣中造成的聲波,也可以使另一個物體發(fā)生振動,如這物體的固有頻率接近或相等于聲波的頻率,就發(fā)生共振,使這個物體的振動幅度很大,因而也就發(fā)出了相當大的聲音來.這種發(fā)聲體的共振,叫做共鳴.
幾則關(guān)于共鳴的故事
東漢以后三國紛爭年代,有一天,魏都洛陽宮殿前面的一口大鐘,突然無緣無故地鳴響起來.滿朝文武議論紛紛,有的以為是不祥之兆,也有人乘機獻媚,把它說成是祥瑞,替皇帝歌功頌德一番.至于魏帝本人則疑慮重重,他本來就擔心司馬氏集團有不臣之心,對曹家天下虎視耽耽,覬覦已久.這次大鐘不敲自鳴,莫非就是上天給他的某種暗示?總之,造件事鬧得他心驚肉跳,簡直惶惶不可終日.
事情傳到青年張華耳中,只見他思忖片刻,從容說道：「那沒有什么值得大驚小怪的地方,不過是因為四川銅山有山崩發(fā)生,因而引起宮中大鐘相應(yīng)自鳴罷了.」當時崇尚迷信,張華的科學見解猶如「陽春白雪,和者蓋寡.」可是幾天以后,四川的消息飛來,正是在洛陽鐘自鳴的那個時辰,蜀中發(fā)生了一起銅山崩塌事件.張華的預(yù)言應(yīng)驗了,從此名聲大振,而魏晉也總算吃了一顆定心丸,于心稍安.
又有一天,一個人來向張華請教,說是他家有一個洗澡用的大銅盆,每日早晚總會嗡嗡作響,就像有人在敲打一般,也不知什么緣故.張華答道：這只銅盆和洛陽宮中大鐘的音調(diào)相諧,宮中每天早晚都要撞鐘,所以使銅澡盆有聲相應(yīng).張華還告訴他只要把銅澡盆銼掉一點,使它變輕了,便不會再作響.那人照著去辦,果然就不響了.張華能用共鳴原理去解釋它,并提出了消除共鳴的辦法,實在是很了不起的.并且啟發(fā)了后人,唐朝人韋絢寫的《劉賓客嘉話錄》及添了一段佳話：
唐朝時,洛陽某寺院里一個和尚得到了一個磬,他視為至寶,放在房中.不料那磬常常無故自鳴,尤其是半夜里會突然響動,猶如鬼使神差一般,實在嚇人.這個和尚疑神疑鬼,又不敢把它怎么樣,唯恐招致更大的禍害；叉憂又急,竟生起病來了.當時管理皇家音樂事項的「大樂令」曹紹夔跟這個和尚頗有交情,聽到和尚生病的消息,特地趕來問候.談起病因,和尚不好意思地說；「實不相瞞……」接著一五一十地把事情的經(jīng)過都告訴了曹紹夔.曹紹夔聽著聽著,正好那個時候前殿的齋鐘響了,磬也跟著自鳴.此時曹紹夔已心中有數(shù),本當一語道破,但他素來喜歡熱鬧,愛開玩笑,于是便導(dǎo)演了一出滑稽劇.他故弄玄虛,對和尚說,他有祖?zhèn)鞯牡婪ǎ嚎梢詾橹?qū)邪捉鬼.但要有條件,和尚須廣延賓客,大擺宴席,他才便于施法.那和尚覺得曹紹夔文質(zhì)彬彬,怎斗得過魔鬼、但為了活命,還是一口應(yīng)允下來.次日和尚如約設(shè)盛宴招待.曹紹夔不慌不忙地飽餐一頓,又裝模作樣地從懷里把「法寶」掏了出來.賓客們怕鬼,離得遠,看不真切那法寶是啥玩意見.只見曹紹夔拿它在磬上的幾個地方磨銼一下,口稱「善哉」、「善哉」,說鬼已經(jīng)被趕跑了.
聽說沒有了鬼,賓客中膽子大的先跑上來,要見識見識那件法寶.內(nèi)中有人認出那法寶其實只是一把普通的銼刀,才知道是曹紹夔的惡作劇,存心要耍笑和尚.
從此以后,那磬果然不再自鳴了.和尚問其道理,曹紹夔才和盤托出；此磬和前殿齋鐘的音調(diào)相同,發(fā)生了共鳴；拿銼刀銼了以后,兩者不能共鳴,自然磬就不會自鳴了.說穿以后,和尚的病好得很快,不久就痊愈了.其實,如果這位和尚除了念經(jīng)之外也看看其它書籍,讀一讀《異苑》,了解張華和銅澡盆的故事,就不至于虛驚一場了.以物理學的觀點分析張華和曹紹夔的所作為,他們知道銼了銅盤或罄以后,就改變了它們的固有頻率,因此不再和外界某物的聲音有某種頻率比的關(guān)系,失去了共鳴的條件,共鳴也就不復(fù)存在.可以說,張華和曹紹夔都應(yīng)當列入古代聲學家行列.
另外,再介紹一個有關(guān)共鳴的傳奇故事.傳說唐朝有個音樂家善于奏琴.有一次,他在池邊彈「蕤賓」的調(diào)子,彈著彈著,忽然有一塊鐵片從水底跳躍到水面上來.人們很奇怪,趕忙把它撈起來.粗看一下,不知它是什么東西,敲起來卻錚錚作響,竟也發(fā)出「蕤賓」的調(diào)子.大概它就是神仙用的樂器吧!聽到人間的同聲呼喚,情不自禁地趕來相會了.這則故事雖然近乎荒誕不經(jīng),但細想一下,若不是懂聲音共鳴的人,能編得出這段故事來嗎?