学好物理学，拉好小提琴

聂云

相信不少人听过椅子贴地移动、或者指甲划过黑板所产生的刺耳声，但是让人意想不到的是，小提琴美妙的琴声跟这些刺耳声其实是同一种物理现象，而这种物理现象叫做粘滑现象。

我们用一个弹簧，一端拉在我们手中，另一端则拉着重物，然后在桌子上慢慢地用力拉弹簧。当我们的力达到一定程度时，就可以发现，重物从一开始的静止状态，突然间变成运动状态，被弹簧猛地一拉动。如果此时我们保持着拉力不变，就会看见重物不断重复“静止——突然被拉动——静止——突然被拉动”这一现象，而这就是粘滑现象的一个经典的实验例子。

看完这个实验，有的人或许灵光一现，重物一开始的静止不动，是因为静摩擦的作用，而重物的运动又跟动摩擦有关，那么这样看来，粘滑现象是不是由摩擦力产生的？实际上，粘滑现象背后的根本物理原理，科学家到现在还不确定，尽管这种现象可以说随随便便就能再现。但科学家还是达成了一个共识，那就是粘滑现象跟摩擦力有关。

粘滑现象的产生过程跟静摩擦和动摩擦的极其相似。重物和桌子的表面看似光滑，但其实是凹凸不平的。当它们表面相互接触，并进行相对运动时，凹凸的表面会相互卡住，阻止两个物体的相对运动，此时重物是静止的。当拉力够大时，相互卡住的凹凸表面会被破坏，此时重物就会被突然拉动，但又会被桌子另一处的凹凸不平的表面卡住。静止一段时间，然后拉力破坏这一处的凹凸表面，再突然运动……如此循环，粘滑现象就产生了。这种感觉就像是我们用竖锯刚开始拉锯木头一样，一顿一顿的。

科学家之所以不直接下“粘滑现象是由摩擦力产生的”这一结论，那是因为科学家在原子层面也发现了粘滑现象。在纳米尺度上，物体的相互运动会产生一种叫做“超润滑”的无摩擦状态，换而言之，摩擦力已经没有了。如果粘滑现象是由摩擦力产生的，那么没有了摩擦力，粘滑现象也应该消失了，然而科学家在拉动纳米物体的时候，还是观察到了粘滑现象。

在对粘滑现象有了一些了解之后，我们下面来看看它是怎么跟小提琴扯上关系的。

最先对小提琴琴弦振动进行研究的是19世纪法国的物理学家亥姆霍兹，他还专门为此发明了振动显微镜（如今有了更先进的显微镜，振动显微镜已经极少被使用）。1885年，亥姆霍兹发现，当琴弓拉琴弦时，琴弓和琴弦实际上是先相互粘住一会，然后琴弦突然向后弹滑。如果琴弦发出的是悦耳的声音，那么琴弦呈卵形来回振动。另外，琴弦振动的顶峰会产生一个角，来回地进行传递，而这个角后来被人们称为亥姆霍兹角。

悦耳的琴声和刺耳的琴声之间的区别就在于前者只有一个亥姆霍兹角，而后者则有两个或两个以上的亥姆霍兹角，这也是小提琴老手与小提琴新手的区别。小提琴老手通过长期的训练，懂得了配合亥姆霍兹角的运动，当亥姆霍兹角转了快一周，回来刚好经过琴弓的位置时，他们再用与前一个力度相差无几的力度拉，琴弦就一直只有一个亥姆霍兹角，因此它的声音也就悦耳。小提琴新手则是在亥姆霍兹角回来之前又再用不同的力度拉了琴弦，制造出了一个或多个不同的亥姆霍兹角，几个亥姆霍兹角相互干扰，琴弦的振动也就不和谐，其产生的声音也就不好听了。

到了20世纪60年代，美国贝尔实验室的工程师约翰·谢伦发现琴弓与琴弦的相对位置和力度之间的关系。换而言之，他发现了我们该以怎样的力度来拉小提琴，才能使琴声听起来更悦耳一些。如果琴弓与琴弦的位置靠近小提琴琴桥（一个在小提琴腰部撑起琴弦的物体），那么我们要用更大的力，且尽可能地让力度保持不变来拉小提琴;如果琴弓与琴弦的位置靠近小提琴指板，那么我们得用较小的力来拉。另外，我们的力度在一定范围内可以适当变化，越靠近指板，这允许变化的力度范围也就越大。

我们可以用上述窍门来拉出悦耳的小提琴声。

让我们回到粘滑现象。生活中的粘滑现象可以说是比比皆是。首先是乐器，除了小提琴，几乎所有的琴类乐器，都是靠粘滑现象来振动发声。其次，在橡胶篮球场上，篮球运动鞋急停时的尖锐声也是由粘滑现象所产生的。其他种类的急停，例如摩托车或汽车橡胶轮胎急停时的刺耳声，以及地铁或火车急停时的声音等，它们其实也都是粘滑现象。

粘滑现象还能解释某些地震产生的原因。一些地层相互之间会进行缓慢的摩擦滑动，如果滑动速度一直不变，那么问题不大，很长一段时间过后人们才会发觉地质有些变化。但由于粘滑现象，本来相互之间缓慢进行滑动的地层，会突然间加速滑动，而这种情况就如同突然加速的火车，车上站着的乘客以及正在送饮料的服务员等人因此摔倒，地震也就产生了。

就连在生物界，也有使用粘滑现象来帮助自己生存的生物。有的人或许在看龙虾记录片时偶然听到一声急促的“咔哒”声。這是龙虾正在用自己的触角摩擦自己的外壳，利用粘滑现象所产生的声音。龙虾就是靠着这股“咔哒”声来吓退侵略者。

以上只是粘滑现象的冰山一角，科学家如今还在对其背后的物理规律进行研究。