學好物理學，拉好小提琴

聶云

相信不少人聽過椅子貼地移動、或者指甲劃過黑板所產生的刺耳聲，但是讓人意想不到的是，小提琴美妙的琴聲跟這些刺耳聲其實是同一種物理現象，而這種物理現象叫做粘滑現象。

我們用一個彈簧，一端拉在我們手中，另一端則拉著重物，然后在桌子上慢慢地用力拉彈簧。當我們的力達到一定程度時，就可以發現，重物從一開始的靜止狀態，突然間變成運動狀態，被彈簧猛地一拉動。如果此時我們保持著拉力不變，就會看見重物不斷重復“靜止——突然被拉動——靜止——突然被拉動”這一現象，而這就是粘滑現象的一個經典的實驗例子。

看完這個實驗，有的人或許靈光一現，重物一開始的靜止不動，是因為靜摩擦的作用，而重物的運動又跟動摩擦有關，那么這樣看來，粘滑現象是不是由摩擦力產生的？實際上，粘滑現象背后的根本物理原理，科學家到現在還不確定，盡管這種現象可以說隨隨便便就能再現。但科學家還是達成了一個共識，那就是粘滑現象跟摩擦力有關。

粘滑現象的產生過程跟靜摩擦和動摩擦的極其相似。重物和桌子的表面看似光滑，但其實是凹凸不平的。當它們表面相互接觸，并進行相對運動時，凹凸的表面會相互卡住，阻止兩個物體的相對運動，此時重物是靜止的。當拉力夠大時，相互卡住的凹凸表面會被破壞，此時重物就會被突然拉動，但又會被桌子另一處的凹凸不平的表面卡住。靜止一段時間，然后拉力破壞這一處的凹凸表面，再突然運動……如此循環，粘滑現象就產生了。這種感覺就像是我們用豎鋸剛開始拉鋸木頭一樣，一頓一頓的。

科學家之所以不直接下“粘滑現象是由摩擦力產生的”這一結論，那是因為科學家在原子層面也發現了粘滑現象。在納米尺度上，物體的相互運動會產生一種叫做“超潤滑”的無摩擦狀態，換而言之，摩擦力已經沒有了。如果粘滑現象是由摩擦力產生的，那么沒有了摩擦力，粘滑現象也應該消失了，然而科學家在拉動納米物體的時候，還是觀察到了粘滑現象。

在對粘滑現象有了一些了解之后，我們下面來看看它是怎么跟小提琴扯上關系的。

最先對小提琴琴弦振動進行研究的是19世紀法國的物理學家亥姆霍茲，他還專門為此發明了振動顯微鏡（如今有了更先進的顯微鏡，振動顯微鏡已經極少被使用）。1885年，亥姆霍茲發現，當琴弓拉琴弦時，琴弓和琴弦實際上是先相互粘住一會，然后琴弦突然向后彈滑。如果琴弦發出的是悅耳的聲音，那么琴弦呈卵形來回振動。另外，琴弦振動的頂峰會產生一個角，來回地進行傳遞，而這個角后來被人們稱為亥姆霍茲角。

悅耳的琴聲和刺耳的琴聲之間的區別就在于前者只有一個亥姆霍茲角，而后者則有兩個或兩個以上的亥姆霍茲角，這也是小提琴老手與小提琴新手的區別。小提琴老手通過長期的訓練，懂得了配合亥姆霍茲角的運動，當亥姆霍茲角轉了快一周，回來剛好經過琴弓的位置時，他們再用與前一個力度相差無幾的力度拉，琴弦就一直只有一個亥姆霍茲角，因此它的聲音也就悅耳。小提琴新手則是在亥姆霍茲角回來之前又再用不同的力度拉了琴弦，制造出了一個或多個不同的亥姆霍茲角，幾個亥姆霍茲角相互干擾，琴弦的振動也就不和諧，其產生的聲音也就不好聽了。

到了20世紀60年代，美國貝爾實驗室的工程師約翰·謝倫發現琴弓與琴弦的相對位置和力度之間的關系。換而言之，他發現了我們該以怎樣的力度來拉小提琴，才能使琴聲聽起來更悅耳一些。如果琴弓與琴弦的位置靠近小提琴琴橋（一個在小提琴腰部撐起琴弦的物體），那么我們要用更大的力，且盡可能地讓力度保持不變來拉小提琴;如果琴弓與琴弦的位置靠近小提琴指板，那么我們得用較小的力來拉。另外，我們的力度在一定范圍內可以適當變化，越靠近指板，這允許變化的力度范圍也就越大。

我們可以用上述竅門來拉出悅耳的小提琴聲。

讓我們回到粘滑現象。生活中的粘滑現象可以說是比比皆是。首先是樂器，除了小提琴，幾乎所有的琴類樂器，都是靠粘滑現象來振動發聲。其次，在橡膠籃球場上，籃球運動鞋急停時的尖銳聲也是由粘滑現象所產生的。其他種類的急停，例如摩托車或汽車橡膠輪胎急停時的刺耳聲，以及地鐵或火車急停時的聲音等，它們其實也都是粘滑現象。

粘滑現象還能解釋某些地震產生的原因。一些地層相互之間會進行緩慢的摩擦滑動，如果滑動速度一直不變，那么問題不大，很長一段時間過后人們才會發覺地質有些變化。但由于粘滑現象，本來相互之間緩慢進行滑動的地層，會突然間加速滑動，而這種情況就如同突然加速的火車，車上站著的乘客以及正在送飲料的服務員等人因此摔倒，地震也就產生了。

就連在生物界，也有使用粘滑現象來幫助自己生存的生物。有的人或許在看龍蝦記錄片時偶然聽到一聲急促的“咔噠”聲。這是龍蝦正在用自己的觸角摩擦自己的外殼，利用粘滑現象所產生的聲音。龍蝦就是靠著這股“咔噠”聲來嚇退侵略者。

以上只是粘滑現象的冰山一角，科學家如今還在對其背后的物理規律進行研究。