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古人對共振有哪些解釋?

古人不僅觀察到了共振現象,而且試圖解釋它。西漢思想家董仲舒在這方面最具代表性。

他在《春秋故事·相似動》中說:“性質相同的物體是可以互相感應的,鼓和鑼之所以動,是因為它們的音調相同。這是不可避免的現象,沒有什麽神奇的。”

董仲舒能正確認識到這是自然現象,打破籠罩其上的神秘氣氛,是壹種貢獻。到了宋代,科學家沈括進壹步推進了古人對共振現象的研究。他用實驗的方法探索樂器的共鳴。

他剪了壹個小紙人,放在音高弦上,撥相應的泛音弦,紙人就跳了,彈別的弦,紙人不動。就這樣,他用實驗的方法直觀地展示了兩弦在音高相差八度時的共鳴現象。

沈括的實驗,與歐洲同類實驗相比,要早幾個世紀。沈括的實驗對後世影響很大。明末學者方以智在他的《物理學概論》中明確概括:聲之和,足以感異。只要聲音特征壹致,即頻率相同或呈簡單整數比,也能在不同物體上產生共鳴。他指出,樂器的共鳴有著相同的本質,都是由“聲音的和諧”引起的。方以智的話標誌著人們對共振現象本質的認識又進了壹步。其實,古人對共振現象的最初認識及其逐漸深化,是伴隨著他們對自然界中的波的認識而產生的。也就是說,共振與自然界中的波密切相關。

在古代,人們在漁獵生產中經常看到這樣壹種現象:湖泊池塘中水波的漣漪,水面上的浮萍、木條並不隨波而動,而是在上下振動;在紡繩織網中,繩子被彈起,波浪從壹端傳到另壹端,但繩子上的線不隨波逐流。對於類似的現象,人們思考了很久,才有了答案。如《關下》所言:潮起潮落是必然趨勢。這是春秋時期人的回答。

到了東漢時期,人們對此有了進壹步的認識。東漢思想家王充終於發現,聲音在空氣中的傳播形式和水波是壹樣的。

王充在《論衡·成虛》中說:壹條魚壹尺長,在水中運動,旁邊的水也不會超過幾尺。它和人壹樣大,擺動的距離只有百步,但由於太遠,壹裏之外依然安全無礙。

如果人的善惡行為能使氣發生變化,那麽它的距離應該等於魚搖水的距離,氣的善惡行為範圍應該與水的善惡行為範圍相同。

王充在這裏表達了壹個科學思想:波的強度隨著傳播距離的增加而減小。比如魚激起的水波不走壹百多步,500米開外就消失了;人的言行激起的空氣波,和魚激起的水波壹樣,也是隨著距離衰減的。

可以認為,王充是世界上第壹個向人們展示看不見的聲波圖片的人,也是第壹個指出聲強與傳播距離關系的人。到了明代,用水波來對比空氣中聲波的思路更加清晰明了。明代科學家宋在《論氣聲》中總結說,當壹塊石頭落在水面上時,擊打物體會使空氣產生波動,就像波浪壹樣。聲波是縱波,其傳播能量的方向與振動方向平行;水波是剪切波,其能量傳遞方向與振動方向垂直。雖然古人因為時代的局限,分不清縱波和橫波,但上述認識是聲學上的壹大進步。

董仲舒