虎門大橋晃動(dòng)背后的知識(shí)

黃才發(fā)

2020年5月5日，廣東虎門大橋因劇烈晃動(dòng)而封閉，其背后原因是什么呢？這涉及共振知識(shí)。話說18世紀(jì)中葉，法國昂熱市一座102米長的大橋上有一隊(duì)士兵在指揮官的口令下邁著整齊的步伐過橋，結(jié)果橋梁突然斷裂，造成226名官兵和路人喪生。這也是共振造成的傷害。

共振現(xiàn)象是大自然中常見的一種物理現(xiàn)象，指兩個(gè)物體的振動(dòng)頻率相同，會(huì)產(chǎn)生其中一個(gè)物體振動(dòng)，另一個(gè)無須外力就可以自行振動(dòng)，且一個(gè)物體的固有頻率與另外一個(gè)振動(dòng)的頻率正好相同，則物體振動(dòng)的振幅可以達(dá)到最大的現(xiàn)象。

大量士兵邁正步走的頻率正好與大橋的固有頻率一致，使橋的振動(dòng)加強(qiáng)，振幅達(dá)到最大以致超過橋梁的抗壓力時(shí)，橋就斷了。共振現(xiàn)象廣泛存在于大自然中，例如樂器的音響共振、太陽系一些行星的衛(wèi)星之間的軌道共振、電路的共振等。我們每天看的電視和收聽的收音機(jī)就是根據(jù)共振原理接收信號(hào)的。我們喉嚨間發(fā)出的每個(gè)顫動(dòng)，皆是與空氣產(chǎn)生了共振，才形成了一個(gè)個(gè)音節(jié)，構(gòu)成一句句話，從而使我們能夠用語言來表達(dá)情感進(jìn)行交流交往。

人們能利用共振帶來福祉。中國對(duì)共振的運(yùn)用，可追溯到很久遠(yuǎn)的年代。早在戰(zhàn)國初期，人類就發(fā)明了各種各樣的共鳴器，用來偵探敵情。如在城墻根下每隔一定距離挖一深坑，坑里埋置一只陶甕，甕口蒙上皮革，就做成了一個(gè)共鳴器。讓聽覺聰敏的人伏在甕上聽動(dòng)靜，遇有敵人挖地道及攻城的響聲，不僅可以發(fā)覺，而且能根據(jù)各甕甕聲的響度差識(shí)別來敵的方向和遠(yuǎn)近。

微波技術(shù)是一種把共振運(yùn)用得非常精妙的技術(shù)。它不僅廣泛應(yīng)用在電視、廣播、通信等方面，且“登堂入室”，微波爐便是其中一個(gè)最好體現(xiàn)。食物中水分子的振動(dòng)頻率與微波大致相同，微波爐加熱食物時(shí)，爐內(nèi)產(chǎn)生超強(qiáng)振蕩電磁場，使食物中水分子做受迫振動(dòng)，發(fā)生共振，將電磁輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使食物溫度迅速升高。微波加熱技術(shù)是對(duì)物體內(nèi)部整體加熱技術(shù)，不同于以往從外部對(duì)物體加熱的方式，極大提高了加熱效率，有利于環(huán)保。

核磁共振屬于常見的一種醫(yī)學(xué)檢查手段，檢查效果比較精準(zhǔn)，安全性也較高，其基本原理就是通過人體所含氫原子在強(qiáng)磁場下給其特定的高波后而發(fā)生的一種共振現(xiàn)象，可產(chǎn)生一種高波數(shù)的電磁波。核磁共振就是利用這個(gè)性質(zhì)，采用電子計(jì)算機(jī)對(duì)磁場的變化收集處理并圖形化，從得出的圖像來分析診斷病情的。

任何事物都具有兩面性，共振在生活中也會(huì)帶來一些危害，可以使大橋、房屋等建筑物瞬間倒塌，危及人類生命安全。共振的力量能讓巨大的冰川被“溫柔”的海洋波濤給拍裂開，美國阿拉斯加李杜牙灣經(jīng)常出現(xiàn)的高達(dá)上百米巨浪，共振在其中發(fā)揮了巨大的“推波助瀾”的作用。當(dāng)?shù)貧だ锬骋话鍓K發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的波動(dòng)頻率傳到地面上，與建筑物產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，即會(huì)造成屋毀人亡的慘劇，這是共振在地震中的作用，給人類帶來重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

人們能不能減弱或消除共振帶來的災(zāi)難呢？人們經(jīng)過實(shí)踐，總結(jié)出許多消除共振的辦法。我國晉代就有人對(duì)共振現(xiàn)象作出了正確解釋，并認(rèn)識(shí)到，防止共振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。今天，人類對(duì)付共振危害的方法越來越多樣及先進(jìn)。像電影院、播音室等對(duì)隔音要求很高的地方，常常采用加裝海綿、塑料泡沫等辦法，使聲音的頻率在碰到這些柔軟物體時(shí)，不能與之產(chǎn)生共振，而是被它們吸收掉。

你知道中國目前最高樓——總高632米的上海中心大廈，位于其126層重1000噸的阻尼器的作用嗎？超高樓層的阻尼器也是削弱共振影響，目的是減緩大樓遇到地震、臺(tái)風(fēng)時(shí)的劇烈晃動(dòng)。

泡沫墊、空礦泉水瓶、棉線、玻璃珠、包裝帶、網(wǎng)兜、高腳水晶杯、吸管、剪刀、扇子

“亦步亦趨”：

包裝帶水平固定在兩椅背之間，網(wǎng)兜分別包裹4個(gè)玻璃珠制成3 個(gè)質(zhì)量相同的擺球，用棉線系在包裝帶上，其中兩擺球繩長相同，一擺球繩長較短。把較長擺長的擺球拉離一定高度靜止釋放，發(fā)現(xiàn)另外2個(gè)擺球會(huì)跟著振動(dòng)起來，繩短的擺球振幅很小，相同繩長的擺球亦步亦趨振幅大。

“定高樓神器”——風(fēng)阻尼器的模擬：

兩個(gè)空礦泉水瓶模擬高樓，一個(gè)瓶中懸掛一個(gè)網(wǎng)兜包裹一個(gè)玻璃珠制成的擺球，用扇子扇風(fēng)模擬臺(tái)風(fēng)，發(fā)現(xiàn)未懸掛擺球的瓶子較快傾倒，而懸掛擺球的瓶子巋然不動(dòng)。

隔空跳動(dòng)的吸管：

兩個(gè)高腳水晶杯，一個(gè)裝適量清水，另一個(gè)杯中放根短吸管，杯口平放根吸管。用手蘸水順時(shí)針摩挲杯口，發(fā)出聲音，發(fā)現(xiàn)杯中吸管及杯口平放的吸管都在振動(dòng)，甚至把平放的吸管振落杯中。