大学物理论文

共振的应用及危害

摘要：任何事物都有两面性，共振也是，它曾给人们造成巨大的伤害。这其中最为人们所知晓的便是桥梁垮塌。1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，可是因为这座大桥的实际的抗共振强度没有过关，所以导致事故的发生。以前听说这件事时，就令我对共振产生强烈的好奇心，共振竟能有如此的威力，如果善用共振，人类将受益匪浅。本文对共振进行讨论，重点是共振在社会上的应用及其带来的危害，并提出了一些解决方法。

关键词：共振应用危害消除

正文：

在18世纪中叶，一座桥因大队士兵齐步走产生的频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，最终断裂。每年肆虐于沿海各地的热带风暴，也是借助于共振为虎作伥，才会使得房屋和农作物饱受摧残。近几十年来，美国及欧洲等国家和地区还发生了许多起高楼因大风造成的共振而剧烈摇摆的事件。地震时，地壳会产生各种波长的横波或纵波，当波传到地面上，会与建筑物产生强烈的共振，这样就造成了屋毁人亡的惨剧。另外还有许多例子：持续发出的某种频率的声音会使玻璃杯破碎；机器可以因共振而损坏机座；高山上的一声大喊，可引起山顶的积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩；行驶着的汽车，如果轮转周期正好与弹簧的固有节奏同步，所产生的共振就能导致汽车失去控制，从而造成车毁人亡……

如果你对共振的威力还有怀疑，那就让我们一起来了解共振吧。共振创造了世界共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语。

一、什么是共振

任何物体产生振动后，由于其本身的构成、大小、形状等物理特性，原先以多种频率开始的振动，渐渐会固定在某一频率上振动，这个频率叫该物体的固有频率。当人们从外界再给这个物体加上一个振动(称为驱动)时，这时物体的振动频率等于驱动力的频率，而与物体的固有频率无关，这时称为强迫振动。但如果驱动力的频率与该物体的固有频率正好相同，物体振动的振幅达到最大，这种现象叫共振。

物体的振幅与驱动力的关系图如下：

二、共振的应用

共振现象也可以说是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一，所以在某种程度上甚至可以这么说，是共振产生了宇宙和世间万物，没有共振就没有世界。从宇宙大爆炸到微观世界的“共振体”，从人类说话交谈到虫鸣鸟吟，都是共振的魔力。还有一些研究表明，宇宙中的紫外线射向地球时，是臭氧层的振动频率与紫外线产生共振，从而吸收了大部分的紫外线，保护了地球；叶绿素与某些可见光共振才能吸收阳光，产生光合作用；甚至连色彩的产生也是因为各色光线与物体的共振所赐。

在日常的生产生活中，共振也是我们的好帮手，人类利用共振现象的能量特征，发明了不少实用的东西。利用共振能给人类带来福祉。

实际上，中国人对于共振的运用，还可以追溯到很久远的年代。

早在战国初期，当时的人就发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。《墨子·备穴》记载了其中的几种：

在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑里埋置一只容量有七八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，这样，实际上就做成了一个共鸣器。让听觉聪敏的人伏在这个共鸣器上听动静，遇有敌人挖地道攻城的响声，不仅可以发觉，而且根据各瓮瓮声的响度差可以识别来敌的方向和远近。另一种方法是：在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮，两瓮分开一定距离，根据这两瓮的响度差来判别敌人所在的方向。

随着近代科学的发展，供着应用于越来越多的领域。

“共振筛”是利用共振现象最典型的例子之一。它是把筛子用四个弹簧支撑

起来，并在筛子上装上偏心轮，偏心轮在皮带的带动下转动，是筛子受到周期驱动力的作用，做受迫振动。调整偏心轮的转速，可使驱动力的频率接近筛子的固有频率，筛子发生共振，获得较大振幅，提高筛子的效率。

在建筑工地上，我们经常可以看到．建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时，为了提高质量，总是一边灌混凝土，一边用电振泵进行振动，使混凝土之间因振动的作用而变得更紧密、更结实。像粉碎机、测振仪、电振泵等，这些都是利用共振原理工作的。

在人们的日常生活中，共振也充当着重要的角色，如常用的微波炉。为什么微波炉在加热食品时食品内外能同时升温呢？原来微波炉中的磁控管产生915MHz或2450MHz的微波，即一种超高频率交变电磁场，它经波导传送出去，再经风扇搅拌器把它反射到炉腔各处，食物是吸收微波的一种介质，而且食物分子的振动频率跟微波的电磁场频率相同或相近，大量分子就在食物中原来位置的附近剧烈振动而摩擦出大量的热，使食物内外介质的温度同时升高，食物很快被烤熟。这是共振在家用电器中的应用。再比如说收音机，电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振，将电台信号放大，再经过过滤后传至喇叭发声。还有市面上极为少见的共振音箱，它是让音频经过转换后以机械振动介质面(木质桌面，玻璃等) ，使介质整个物体产生共振，从而使物体播放出悠扬的乐曲。

共振在医学上也有应用。专家研究认为，音乐的频率，节奏和有规律的声波振动，是一种物理能量，而适度的物理能量会引起人体组织细胞发生和谐共振现象，这种声波引起的共振现象，会直接影响人们的脑电波，心率，呼吸节奏等，使细胞体产生轻度共振，使人有一种舒适、安逸感。人们还发现，当人处在优美悦耳的音乐环境中，可以改善精神系统，心血管系统，内分泌系统和消化系统的功能，促使人体分泌一种有利健康的活性物质，提高大脑皮层的兴奋性，振奋人的精神，让人们的心灵得到了陶冶和升华。所以，人们已经开始运用音乐产生的共振，来缓解人们由于各种因素造成的紧张，焦虑，忧郁等不良心理状态，而且还能用于治疗人的一些心理和生理上的疾病。就医学影像学来说，核磁共振(MRI) 是继 CT 后的又一重大进步。将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，

氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。

总之，共振技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域。

三、共振对我们生活的危害

从共振的特点来分析，它并不需要强大的破坏力，而是能自动进行能量的积累，如果不适当地利用它或者避免它，共振的危害也是很可怕的。开头曼彻斯特的惨剧就是一个鲜明的例子。在我们的日常生活中，无处不在的共振现象也经常带来烦恼。

人体是一个弹性体，各器官都有它的固有频率，当外来振动的频率与人体某器官的固有频率一致时，会引起共振，因而对那个器官的影响也最大。人体固有的振动频率经科学研究，人脑是8～12Hz，内脏器官为4～18Hz。在外来振动的不断激发下，人脑和内脏器官的振动频率与外来振动频率相近或相同，吸收外来振动的能量而共振，轻者能使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心，如果强度大，就能使人的心脏及其内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，使人死亡。

登山运动员登山时严禁大声喊叫。因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合，就会因共振引起雪崩，其后果十分严重。

对人危害程度尤为厉害的是次声波所产生的共振。次声波是一种每秒钟振动很少、我们耳朵听不到的声波，自然界的很多现象都能产生次声波。目前已研制出次声波枪和次声波炸弹。它们利用频率为16赫兹左右的次声波，与人体内的某些器官发生共振，使受振者的器官发生变形、位移或出血。

千里之堤，溃于蚁穴”，最终的结果是可怕的。要避免共振的灾害作用，就必须尽量增大振动系统和可能的策动力频率之间的差距，使受迫振动被限制在极小振幅的范围内。比如，跟振动源十分接近的操作人员，如拖拉机驾驶员、电锯等操作工，在工作时应尽量避免这些振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。为了保障工人的安全与健康，有关部门已做出相应规定，要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20Hz。

四、消除共振的危害

共振给人们带来意想不到的灾难，那么，人们能不能消除这些灾难呢？为此，人们经过实践，总结出许多消除共振的办法。