宋朝科学家沈括是怎么研究声学共振的?
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想知道宋朝科学家沈括是怎么研究声学共振的吗?其实我国古代很早就对共振现象有记述,接下来小编为大家带来相关内容,感兴趣的小伙伴快来看看吧。
公元前3世纪—4世纪的《庄子》一书就记载了调瑟时发生的共振现象。这种基音与泛音共振现象的发现比西方早得多。
《墨子·备穴篇》还记述了共振现象的具体应用:在城墙根下每隔几米,挖一个坑,坑内埋置容量为70升—80升的陶瓮,瓮口蒙上皮革。若有敌人挖地道攻城,可以根据各陶瓮声响情况,确定敌人挖掘的位置和方向。
沈括在《梦溪笔谈》中精心设计了一个声学共振实验。
沈括深通乐理懂音乐,曾经还写过几十首军歌,更难能可贵的是,他还善于举一反三,能够融会贯通,通过音乐现象和原理启发科学研究。
有一天,沈括和朋友们聚在一起喝茶聊天。
一位朋友面露神秘得跟大家说:“最近我家里发生了一件怪事,是这样的,我家有一张琵琶,一直放在一间空屋里没人管他。奇怪的是,有一次,我用少数民族的管乐器演奏燕乐“双调”的时候,在无人动琵琶或其他乐器的情况下,屋子里的琵琶弦自己发出声音应和了,但是要是演奏其他曲调就不会有这个现象。我试了好几次,都是如此,这是不是有什么灵异事件或者我那件空屋子有神秘的妖魔鬼怪啊?”
众人听罢纷纷议论起来,讨论此人屋子里是否有邪气或者其他问题。
这人越发紧张,担心家里是不是遭遇了什么邪事。
沈括在旁边一直微笑不语,有个人对沈括说:你博闻强识,见多识广,你来说说怎么回事呗?”沈括听罢面露从容,他劝这位朋友:“其实这没什么大惊小怪的,只是极为普通的常理而已。因为不同乐器在二十八调中只要有声音相同,就可能发生应和的声音。你所说的琵琶自己会跟着燕乐“双调”发声就是这种现象,这是个非常普通的道理,跟所谓的神灵或妖魔鬼怪没任何关系,别自己吓唬自己了。”
其实沈括说的常理,其实就是弦的共振现象。他接着给这位朋友解释说:弦的共振现象,是声学最妙处,因为很多人不知道这个常识,以致于至今也不能奏出最和谐的天籁来,遗憾!”这位朋友听了,大舒一口气,众人也信服了。
沈括的这番议论,并非信口开河。
在这个问题上,他曾做了一个有趣的实验:在同一七弦琴上,有宫、商、角、徵、羽、少宫、少商七条弦,少宫、少商各比宫、商高音阶八度音。
他放一个剪好的小纸人放在少宫或少商弦上,当拨动宫弦或商弦时,在少宫、少商弦上的纸人就跳动了起来,但是拨动其它音调不同的弦时,纸人却一动不动。
沈括又在不同的琴上进行实验,他把将纸人放置在另一个乐器上,当两者的发声频率出现相同时,弹动琴弦时,放在另一乐器相应声调位置上的纸人,便跳舞般地摆动着。
通过这个实验,沈括充分证明了一个道理:当一个发声体发生振动时,与之频率相同的发声体也会随之振动。沈括称这种现象为“应声”,现代物理学叫“共振”。
在西方,共振现象是由伽利略在17世纪首先描述的,沈括比他早了五六百年,虽然伽利略在对共振的分析更深入,但沈括在那么早的时代就对对声学现象作出研究,已经非常难得了。
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