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中国古代共振研究与应用

第一篇：中国古代共振研究与应用中国古代共振研究与应用粟新华(邵阳学院物理系,湖南邵阳422000)摘要：介绍了中国古代共振现象与共振实验，指出共振效应在中国古代的应用.关键词：《墨子》；张华；沈括；钟；弦；泉；共振中图分类号：N09：Ｏ42文献标识码：E令人震骇的共振现象唐段成式在《西阳杂组》指出：“蜀将军皇甫直，别音律，击陶器能知时月。好弹琵琶，元和中，尝造一调，乘凉临水池弹之，本黄钟而声入蕤宾，因更弦再三奏之，声犹蕤宾也。直甚惑，不悦，自意为不祥。隔日，又奏于池上，声如故。试弹于他处，则黄钟也。直因调蕤宾，夜复鸣弹于池上，觉近岸波动，有物激水如鱼跃。及下弦则没矣。直遂集客，车水竭池，穷池索之。数日，泥下丈余得铁一片，乃方响蕤宾铁也。”[1]关于共振现象，古籍中记载最多的是钟不扣自鸣。如《宣室志》：“开元中，清江郡叟常牧牛于郡南田间„„得一钟„„是日辰时，不击忽自［２］鸣，声极震响。清江之人俱而惊叹。”《太平广记》：“永建时，殿上钟自鸣，帝甚忧之。公卿莫能解，乃问英。英曰：‘蜀岷山崩，母崩故子鸣，非圣朝灾也。’”[3]“魏时，殿前钟忽大鸣，震骇省署。华曰：‘此蜀铜山崩，故钟鸣应之也。’蜀寻上事，果云铜山崩，时日皆如华言。”[4]《渊鉴类函》：“天中记云，汉武帝时，未央宫前殿钟无故自鸣，三日三夜不止。诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵.更问东方朔，朔曰，臣闻铜者山之子，山者铜之母，以阴阳气［５］类。言之子母相感，山恐有崩弛者，故钟先鸣。”“西河有钟，在水中晦朔辄鸣，声响悲［６］《激，羁客闻而凄怆。”册府元龟》：“天宝十载六月乙亥，中书奏昨日辰时，大同殿前钟楼［７］［８］上钟自鸣。”《天中记》：“光化三年冬，武德殿前钟声忽嘶嗄。道州钟吼跃入江。”《广古今五行记》：“陕州黄河有铜钟，水大水小常自浮出，每昧朔阴雨之日辄鸣，声响悲亮，行［９］客闻之莫不怆然.”闻过则喜《池北偶谈》：“康熙戊申六月十七日戌刻，山东、江南、浙江诸省同时地大震„„.又天鼓鸣，（指的是风声、雨声、雷声、潮水泛滥的吼声、山溃的崩塌声、地壳的爆裂声等）［１０］钟鼓自鸣.”《三冈识略》：“宁波府新建庆云楼，中悬巨钟.五月初四夜不叩自鸣，百胜哗言寇至，郡守设醮以禳之.（按，明隆庆时，燕河营真武庙钟自鸣.又平阴县有钟，不叩自鸣.后亦无他异）.”[11]除钟以外，古籍中记载的还有铃、盘、磬等金属品有时也不扣自鸣：“元和中，翰林院有铃，夜中文书人，则引之以代传呼.长守中河北用兵，铃辄自鸣，与军中息耗相应，声急则军事急，声缓则军事缓.”[12]“晋中朝，有人畜铜澡盘，晨夕恒鸣如人扣.乃问张华，华曰：‘此盘与洛钟宫商相应，宫有朝暮撞钟，故声相应耳.可错令轻，则韵乖鸣自止也.’如言后不复鸣.”[13]“洛阳有僧，房中磬子日夜辄自鸣，僧以为怪，惧而成疾.求术士百方禁之，终不能已.曹绍夔素与僧善，乃笑曰：‘明日设盛馔，余与为除之.’僧虽不信，绍夔言异或有效，乃力置馔以待.绍夔食讫，出怀中错，鑢磬数处而去，其声遂绝.僧问其所以，绍夔曰：‘此磬与钟律合，故击彼应此.’僧大喜，其疾便愈.”[14]1上述所有摘录，均属于固体共振的内容.在古代多数人看来，这些现象似乎有一种不可理喻的神秘感，它令人觉得不安.但仔细分析不难看出，作者的本意不在于宣传共振的神秘，而在于证实共振是一种物理现象，即由某一固体的振动能通过空气引起另一具有固有频率的固体器物的振动.事实上，上述攀英、张华（232-300）等已对共振作出了合理解释，他们深暗共振机制，巧妙地应用共振原理和避免因共振而产生的干扰.翰林院铃辄自鸣，说明铃的固有频率与军中某一器具（如军号、铜鼓）的振动频率相对应，军情急，则铜鼓急，铃声紧.军情缓，则铜鼓缓，铃声慢.铃的缓急预兆着军中情况的好坏.如果想消除那些纯粹因巧合而产生的共振的干扰，只要改变被干扰器具的固有频率就可实现.上述澡盘、磬等与钟律合，将其凿掉一都分，即可避免因共振而带来的烦恼.皇甫直的琵琶突然走调，这使他感到吃惊和不解.但丰富的音律知识使他一直保持着清晰和科学的头脑：先是异地弹奏，以确定问题发生的地点；然后异弦弹奏，以便找出产生该问题的原因.当近岸水面波动时，就断定池中有物相应.其实验方法如此科学，不能不说他已是一位振动学研究的专家.就连记载此事的段成式等，均不是等常之辈.因铁片在泥下丈余深处与琵琶弦声相应而产生共振，幷激发近岸波动，从能量角度看，这是不可能的，但他们深信不疑幷予以记录，说明他们相信其原理正确.妙趣横生的共振实验世上最早记载共振实验的文章，当数《庄子·杂篇·徐无鬼》，是书指出：“于是为之调瑟，废一于堂，废一于室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣.夫改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动.”[15]这个实验发现了两种现象，一种是基音与基音之间的共振，另