显著成果：通识物理中的机械振动及日常生活应用

在“角动量守恒定律”的学习中，我们已经认识到：平动和转动都是物体最基本的运动形式。其实，除了平动和转动，物体还有一种特殊的运动形式——“振动”。一般来说，“任何一个物理量在某一定值附近做反复变化”，都可以称为振动。比如交流电中电流和电压的反复变化，电磁波中电场和磁场的反复变化等等，都属于振动的范畴。但是在以上这些振动实例中，由于电流、电压、电场等特征物理量较为抽象，所以并不适合本书读者的学习。为了让读者更好地学习振动的基本特征、规律及应用，我们这里主要讲述振动中的一种特殊形式——“机械振动”。

机械振动的物理定义是：“物体在某一平衡位置附近做的周期性往复运动。”显然，对机械振动而言，这个“反复变化的物理量”就是物体偏离平衡位置的“位移”。在自然界，几乎任何地方都存在物体的机械振动，比如钟摆的运动，钟摆静止时的位置就是平衡位置。运动时，钟摆在摆线的牵引下，绕着静止的平衡点来回持续摆动，这种机械振动显得较为对称；又比如行星的绕日运动，所有的行星都是以太阳为平衡位置，并绕着太阳做周期性往复运动，当然这种机械振动就不太对称了；同样，还有心脏的搏动，心肌周期性地收缩和舒张，也是以心肌的某个中间状态为平衡位置做不太对称的往复运动；此外，说话时声带的振动、气缸的活塞运动、琴弦的振动，甚至是分子、原子的振动等，都属于机械振动的范畴。除了以上这些我们能直观看到的生活实例，我们每一个同学的日常生活其实也与机械振动有关。如图7.1 所示，我们的同学每天都会在宿舍、教室和食堂之间做“三点一线”式的周期性往复运动，所以从宏观上看，同学们的日常生活也符合“机械振动”的定义。

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图7.1　同学们日常的“三点一线”式校园生活也可看作机械振动

唱歌的优劣也与机械振动有关，每个歌手都有自己独特的声音辨识度，但是人为什么能发出不同的声音呢？比如为什么张杰的歌声听起来仿佛融入了无穷的情感，而普通人的歌声则听起来“干瘪瘪”的？其实，各种乐器能通过机械振动发出相对单一、单调的乐声；而歌手就好比一台“人体乐器”，但他比任何乐器都要复杂和完美，他集成了很多部件，比如声带、咽腔、鼻腔、口腔、舌头、口肌等等，歌声则是由以上所有部件的机械振动单元叠加而成，复合的声音会带给人更和谐、更丰富的听觉体验。在这里，为了了解和研究歌声差异的根本原因，我们需要将复杂问题简单化、模型化，将歌声的复杂振动分解为最简单的单个振动，而这种最基本的振动单元就是“简谐振动”。