大自然中许多地方有共振现象,是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一,大至天体运行,小至原子内部运动、光电效应,包括动物的一些感受器官以及植物的光合作用等。共振不仅产生了宇宙和世间万物,也是宇宙存在的方式,可以说,没有共振就没有世界。一切的振动,其表现形式必然是位移,其背后则必然是能量的流动。共振作为宇宙物质存在,普遍存在于生命中,是生命存在的一种基本方式。从钟摆这个宏观的振动系统来看,如果外力的步调和钟摆的固有频率相同(比如总是在钟摆运动到最高点时,给予钟摆一个斜向下的力),钟摆就会不断地吸收外界的能量,外界能量每一次都会被完全吸收,并且钟摆不向外界输出任何能量,这样钟摆本身所具有的能量就会急剧增加。如果外力的步调与钟摆不一致,那么上一次吸收的能量,在下一次可能就被外力抵销,钟摆本身的重力势能也会被外力不时抵销,这就使钟摆本身所具有的能量总是保持在一个波动的水平,并且峰值不会太高,能量在反复的吸收、散失、吸收、散失。
能够吸收能量的特定频率称为共振频率。在共振频率下,很小的周期振动激励便可产生很大的振动,因为系统可以持续地储存能量。当阻尼很小时,共振频率大约与系统自然频率或固有频率相等,后者是自由振动频率。
一个共振频率为Ω的线性振动器在受到频率为ω的振动驱动下的振幅:
Γ是一个与振动器阻尼有关的系数,振动强度则正比于振幅的平方。[10](www.xing528.com)
一个简易耦合共振仪,其中左侧主动摆长度可以调节,随着其长度的变化,摆动周期也发生改变,而右侧中与主动摆周期最接近的单摆将随之发生耦合摆动,它们的摆动周期一致,动能相互传递,其他摆动周期与之相差较大的单摆则几乎不发生摆动。
图1-7 简易耦合共振仪[11]
观察现代大猩猩和黑猩猩,尽管它们体重大、地面活动多,但在树上运动时,臂行摆动是主要运动方式。臂行方式进化其实是由共振原理决定的,因为在两树的树枝末梢之间跨越时,体重越大则身体与细树枝的系统竖直方向自然振动周期越大,当其周期远大于跳跃时肌肉收缩周期时,树枝本身将吸收其跳跃的动能,即因支点太软而无法跳跃较远的距离。臂行摆动动作周期远大于跳跃动作周期,与系统自然振动周期更为接近,在摆动过程中可以充分借助树枝本身的弹力而跨越更远的距离。现代亚洲长臂猿是一种完全依赖臂行运动的小猿,其臂行方式以单臂交叉侧摆为主,跨越的距离可以超过10米,但从较高处下落时,单臂力量不够缓冲向下的巨大冲力,或者目标树枝平行于所在树枝,以及以较高的速度运动时突然停止下来,会运用双臂摆动方式。从古人类化石特点推断猿类是树栖运动方式。而从现代人体型以及单杠体操运动和跑酷(Parkour)运动等种种迹象来看,可以考虑树栖时期的古人类是以双臂摆荡为主要运动形式的,而且这正是导致人类直立行走的直接原因。
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