虎门大桥晃动背后的知识

黄才发

2020年5月5日，广东虎门大桥因剧烈晃动而封闭，其背后原因是什么呢？这涉及共振知识。话说18世纪中叶，法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥，结果桥梁突然断裂，造成226名官兵和路人丧生。这也是共振造成的伤害。

共振现象是大自然中常见的一种物理现象，指两个物体的振动频率相同，会产生其中一个物体振动，另一个无须外力就可以自行振动，且一个物体的固有频率与另外一个振动的频率正好相同，则物体振动的振幅可以达到最大的现象。

大量士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，振幅达到最大以致超过桥梁的抗压力时，桥就断了。共振现象广泛存在于大自然中，例如乐器的音响共振、太阳系一些行星的卫星之间的轨道共振、电路的共振等。我们每天看的电视和收听的收音机就是根据共振原理接收信号的。我们喉咙间发出的每个颤动，皆是与空气产生了共振，才形成了一个个音节，构成一句句话，从而使我们能够用语言来表达情感进行交流交往。

人们能利用共振带来福祉。中国对共振的运用，可追溯到很久远的年代。早在战国初期，人类就发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。如在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑里埋置一只陶瓮，瓮口蒙上皮革，就做成了一个共鸣器。让听觉聪敏的人伏在瓮上听动静，遇有敌人挖地道及攻城的响声，不仅可以发觉，而且能根据各瓮瓮声的响度差识别来敌的方向和远近。

微波技术是一种把共振运用得非常精妙的技术。它不仅广泛应用在电视、广播、通信等方面，且“登堂入室”，微波炉便是其中一个最好体现。食物中水分子的振动频率与微波大致相同，微波炉加热食物时，炉内产生超强振荡电磁場，使食物中水分子做受迫振动，发生共振，将电磁辐射能转化为热能，使食物温度迅速升高。微波加热技术是对物体内部整体加热技术，不同于以往从外部对物体加热的方式，极大提高了加热效率，有利于环保。

核磁共振属于常见的一种医学检查手段，检查效果比较精准，安全性也较高，其基本原理就是通过人体所含氢原子在强磁场下给其特定的高波后而发生的一种共振现象，可产生一种高波数的电磁波。核磁共振就是利用这个性质，采用电子计算机对磁场的变化收集处理并图形化，从得出的图像来分析诊断病情的。

任何事物都具有两面性，共振在生活中也会带来一些危害，可以使大桥、房屋等建筑物瞬间倒塌，危及人类生命安全。共振的力量能让巨大的冰川被“温柔”的海洋波涛给拍裂开，美国阿拉斯加李杜牙湾经常出现的高达上百米巨浪，共振在其中发挥了巨大的“推波助澜”的作用。当地壳里某一板块发生断裂，产生的波动频率传到地面上，与建筑物产生强烈的共振，即会造成屋毁人亡的惨剧，这是共振在地震中的作用，给人类带来重大伤亡和财产损失。

人们能不能减弱或消除共振带来的灾难呢？人们经过实践，总结出许多消除共振的办法。我国晋代就有人对共振现象作出了正确解释，并认识到，防止共振最好的方法是改变物体的固有频率，使之与外来作用力的频率相差越大越好。今天，人类对付共振危害的方法越来越多样及先进。像电影院、播音室等对隔音要求很高的地方，常常采用加装海绵、塑料泡沫等办法，使声音的频率在碰到这些柔软物体时，不能与之产生共振，而是被它们吸收掉。

你知道中国目前最高楼——总高632米的上海中心大厦，位于其126层重1000吨的阻尼器的作用吗？超高楼层的阻尼器也是削弱共振影响，目的是减缓大楼遇到地震、台风时的剧烈晃动。

泡沫垫、空矿泉水瓶、棉线、玻璃珠、包装带、网兜、高脚水晶杯、吸管、剪刀、扇子

“亦步亦趋”：

包装带水平固定在两椅背之间，网兜分别包裹4个玻璃珠制成3 个质量相同的摆球，用棉线系在包装带上，其中两摆球绳长相同，一摆球绳长较短。把较长摆长的摆球拉离一定高度静止释放，发现另外2个摆球会跟着振动起来，绳短的摆球振幅很小，相同绳长的摆球亦步亦趋振幅大。

“定高楼神器”——风阻尼器的模拟：

两个空矿泉水瓶模拟高楼，一个瓶中悬挂一个网兜包裹一个玻璃珠制成的摆球，用扇子扇风模拟台风，发现未悬挂摆球的瓶子较快倾倒，而悬挂摆球的瓶子岿然不动。

隔空跳动的吸管：

两个高脚水晶杯，一个装适量清水，另一个杯中放根短吸管，杯口平放根吸管。用手蘸水顺时针摩挲杯口，发出声音，发现杯中吸管及杯口平放的吸管都在振动，甚至把平放的吸管振落杯中。