虎門大橋晃動背后的知識

黃才發

2020年5月5日，廣東虎門大橋因劇烈晃動而封閉，其背后原因是什么呢？這涉及共振知識。話說18世紀中葉，法國昂熱市一座102米長的大橋上有一隊士兵在指揮官的口令下邁著整齊的步伐過橋，結果橋梁突然斷裂，造成226名官兵和路人喪生。這也是共振造成的傷害。

共振現象是大自然中常見的一種物理現象，指兩個物體的振動頻率相同，會產生其中一個物體振動，另一個無須外力就可以自行振動，且一個物體的固有頻率與另外一個振動的頻率正好相同，則物體振動的振幅可以達到最大的現象。

大量士兵邁正步走的頻率正好與大橋的固有頻率一致，使橋的振動加強，振幅達到最大以致超過橋梁的抗壓力時，橋就斷了。共振現象廣泛存在于大自然中，例如樂器的音響共振、太陽系一些行星的衛星之間的軌道共振、電路的共振等。我們每天看的電視和收聽的收音機就是根據共振原理接收信號的。我們喉嚨間發出的每個顫動，皆是與空氣產生了共振，才形成了一個個音節，構成一句句話，從而使我們能夠用語言來表達情感進行交流交往。

人們能利用共振帶來福祉。中國對共振的運用，可追溯到很久遠的年代。早在戰國初期，人類就發明了各種各樣的共鳴器，用來偵探敵情。如在城墻根下每隔一定距離挖一深坑，坑里埋置一只陶甕，甕口蒙上皮革，就做成了一個共鳴器。讓聽覺聰敏的人伏在甕上聽動靜，遇有敵人挖地道及攻城的響聲，不僅可以發覺，而且能根據各甕甕聲的響度差識別來敵的方向和遠近。

微波技術是一種把共振運用得非常精妙的技術。它不僅廣泛應用在電視、廣播、通信等方面，且“登堂入室”，微波爐便是其中一個最好體現。食物中水分子的振動頻率與微波大致相同，微波爐加熱食物時，爐內產生超強振蕩電磁場，使食物中水分子做受迫振動，發生共振，將電磁輻射能轉化為熱能，使食物溫度迅速升高。微波加熱技術是對物體內部整體加熱技術，不同于以往從外部對物體加熱的方式，極大提高了加熱效率，有利于環保。

核磁共振屬于常見的一種醫學檢查手段，檢查效果比較精準，安全性也較高，其基本原理就是通過人體所含氫原子在強磁場下給其特定的高波后而發生的一種共振現象，可產生一種高波數的電磁波。核磁共振就是利用這個性質，采用電子計算機對磁場的變化收集處理并圖形化，從得出的圖像來分析診斷病情的。

任何事物都具有兩面性，共振在生活中也會帶來一些危害，可以使大橋、房屋等建筑物瞬間倒塌，危及人類生命安全。共振的力量能讓巨大的冰川被“溫柔”的海洋波濤給拍裂開，美國阿拉斯加李杜牙灣經常出現的高達上百米巨浪，共振在其中發揮了巨大的“推波助瀾”的作用。當地殼里某一板塊發生斷裂，產生的波動頻率傳到地面上，與建筑物產生強烈的共振，即會造成屋毀人亡的慘劇，這是共振在地震中的作用，給人類帶來重大傷亡和財產損失。

人們能不能減弱或消除共振帶來的災難呢？人們經過實踐，總結出許多消除共振的辦法。我國晉代就有人對共振現象作出了正確解釋，并認識到，防止共振最好的方法是改變物體的固有頻率，使之與外來作用力的頻率相差越大越好。今天，人類對付共振危害的方法越來越多樣及先進。像電影院、播音室等對隔音要求很高的地方，常常采用加裝海綿、塑料泡沫等辦法，使聲音的頻率在碰到這些柔軟物體時，不能與之產生共振，而是被它們吸收掉。

你知道中國目前最高樓——總高632米的上海中心大廈，位于其126層重1000噸的阻尼器的作用嗎？超高樓層的阻尼器也是削弱共振影響，目的是減緩大樓遇到地震、臺風時的劇烈晃動。

泡沫墊、空礦泉水瓶、棉線、玻璃珠、包裝帶、網兜、高腳水晶杯、吸管、剪刀、扇子

“亦步亦趨”：

包裝帶水平固定在兩椅背之間，網兜分別包裹4個玻璃珠制成3 個質量相同的擺球，用棉線系在包裝帶上，其中兩擺球繩長相同，一擺球繩長較短。把較長擺長的擺球拉離一定高度靜止釋放，發現另外2個擺球會跟著振動起來，繩短的擺球振幅很小，相同繩長的擺球亦步亦趨振幅大。

“定高樓神器”——風阻尼器的模擬：

兩個空礦泉水瓶模擬高樓，一個瓶中懸掛一個網兜包裹一個玻璃珠制成的擺球，用扇子扇風模擬臺風，發現未懸掛擺球的瓶子較快傾倒，而懸掛擺球的瓶子巋然不動。

隔空跳動的吸管：

兩個高腳水晶杯，一個裝適量清水，另一個杯中放根短吸管，杯口平放根吸管。用手蘸水順時針摩挲杯口，發出聲音，發現杯中吸管及杯口平放的吸管都在振動，甚至把平放的吸管振落杯中。