找一根木棍,把它架起來,再用兩條同樣長的小線分別拴上兩個小鎖,就做成了兩個固有頻率相同的擺。用圖釘把它們釘在木棍上,等它們靜止以後,你輕輕地推一下其中的一個擺,讓它自由振動。過一會兒,你會看到另一個擺不推卻自己振動起來了。

這就是著名的“同情擺”實驗。它說明一個物體振動時,可以引起另一個物體的振動。

我們再用小線和小鎖做一個擺,擺長不要和那兩個相同,掛上它。看!這第三個擺對它們就不那麼“同情”了,因為它的固有頻率和前兩個不相同。

這種“同情”共振在很多場合都是有害的,必須設法防止。例如,有經驗的人挑水的時候,總是把兩頭的繩子放長一些,這樣挑起來要穩當些,同時還要在水麵上放一片木板。放長了繩子可以使擔子的固有頻率變小,與人肩頭擺動的頻率錯開;加上木板防止了水和肩頭擺動發生共振,避免水濺到桶外。還有火車車輪和車軌縫相撞時也可能引起共振,在製造火車時必須考慮到車廂下彈簧的固有頻率,防止發生共振。衝床、汽錘和各種機械在工作時都有一定的頻率,工程師在設計廠房和安裝設備時,也應當采取措施,避免發生共振。但是,這並不是唯一的辦法。

1900年秋,俄國巡洋艦“雷擊號”做航行試驗。按照設計,這艘軍艦的速度可以達到38.9千米/時,發動機的軸每分鍾可以轉125轉。“雷擊號”發動機轉速達到105轉/分的時候,航速剛剛達到33.3千米/時,艦身就發生了劇烈的搖擺,連魚雷發射管裏的魚雷也被震落到海裏。怎麼辦?艦長當機立斷,提高轉速,加快航行,那可怕的搖擺反而平息了下去。原來,105轉/分時會發生共振!類似的事件還有不少,有的巨輪就曾因共振而覆沒。

現代的許多機器都是可以變速的,當它達到某一轉速時就會引起共振,這就是機器轉速的“禁區”。為了防止因共振發生事故,我們在開動機器時首先要了解這個轉速的“禁區”——臨界轉速。

我們也可以利用共振,在煤礦工業裏常用共振篩來篩分煤炭和碎石。它的基本原理就是利用電動機推動篩子往複振動,為了提高效率,就需要調整策動力的頻率和篩子的固有頻率,使兩者發生共振。

還可以利用共振破冰,為船舶開道。這種破冰船是現代的氣墊船,氣墊船先“浮”在冰層上行駛,把一部分氣墊壓到冰層下邊,形成一個空氣腔,然後利用共振效應,使冰層一觸即破。

1980年,我國的青年技術人員在專家指導下,利用共振原理,研究出了木材切削新工藝和新設備。這種設備不用電動機,是以電磁鐵為動力,利用機械共振帶動刀頭切削木材的。他們創製的木工電磁振動刨,不但能平刨普通術材,而且能把極短的木料和極薄的木片刨平,這是手工操作無能為力的。

知識點

臨界轉速

臨界轉速也稱共振轉速,相當於燃氣輪機和相聯發電機的軸係固有頻率的轉速。轉動件轉子在運轉中都會發生振動,轉子的振幅隨轉速的增大而增大,到某一轉速時振幅達到最大值,超過這一轉速後振幅隨轉速增大逐漸減少,且穩定於某一範圍內,這一轉子振幅最大的轉速稱為轉子的臨界轉速。這個轉速等於轉子的固有頻率,當轉速繼續增大,接近2倍固有頻率時振幅又會增大,當轉速等於2倍固有頻率時稱為二階(級)臨界轉速,依次類推有三階、四階……

延伸閱讀

共振的威力

《聖經》上有一個“不攻自破”的故事。講的是古時候兩國交戰,甲國兵敗後被乙國軍隊圍困在耶裏哥城堡裏。因耶裏哥城堡十分堅固,乙國幾日攻克不下。後有人向乙國獻計,讓軍隊鼓號齊鳴,結果城堡不攻自破,突然坍塌了。

這故事聽起來有點荒誕不經,其實它也有一定的科學依據。按照“共振”原理,當一個物體的固有頻率同外來聲波的頻率相同或相近時,在外來聲波的激發下,它的振動幅度就會越來越大,在超過一定的限度後,它就會被破壞。

曆史上也確實有這樣的例子:1905年,俄國聖彼得堡道利達宮的大會議廳裏,裝上了一台電風扇。因風扇產生的風聲的頻率與會議廳天棚的固有頻率相同,致使天棚塌了下來。十幾年前,美國一枚火箭升空時,因它發出的巨大聲響,與火箭工作過程中的某種脈衝節拍發生共振,竟將火箭摧毀。