學(xué)好物理學(xué)，拉好小提琴

聶云

相信不少人聽過椅子貼地移動(dòng)、或者指甲劃過黑板所產(chǎn)生的刺耳聲，但是讓人意想不到的是，小提琴美妙的琴聲跟這些刺耳聲其實(shí)是同一種物理現(xiàn)象，而這種物理現(xiàn)象叫做粘滑現(xiàn)象。

我們用一個(gè)彈簧，一端拉在我們手中，另一端則拉著重物，然后在桌子上慢慢地用力拉彈簧。當(dāng)我們的力達(dá)到一定程度時(shí)，就可以發(fā)現(xiàn)，重物從一開始的靜止?fàn)顟B(tài)，突然間變成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被彈簧猛地一拉動(dòng)。如果此時(shí)我們保持著拉力不變，就會(huì)看見重物不斷重復(fù)“靜止——突然被拉動(dòng)——靜止——突然被拉動(dòng)”這一現(xiàn)象，而這就是粘滑現(xiàn)象的一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)例子。

看完這個(gè)實(shí)驗(yàn)，有的人或許靈光一現(xiàn)，重物一開始的靜止不動(dòng)，是因?yàn)殪o摩擦的作用，而重物的運(yùn)動(dòng)又跟動(dòng)摩擦有關(guān)，那么這樣看來，粘滑現(xiàn)象是不是由摩擦力產(chǎn)生的？實(shí)際上，粘滑現(xiàn)象背后的根本物理原理，科學(xué)家到現(xiàn)在還不確定，盡管這種現(xiàn)象可以說隨隨便便就能再現(xiàn)。但科學(xué)家還是達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，那就是粘滑現(xiàn)象跟摩擦力有關(guān)。

粘滑現(xiàn)象的產(chǎn)生過程跟靜摩擦和動(dòng)摩擦的極其相似。重物和桌子的表面看似光滑，但其實(shí)是凹凸不平的。當(dāng)它們表面相互接觸，并進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凹凸的表面會(huì)相互卡住，阻止兩個(gè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)重物是靜止的。當(dāng)拉力夠大時(shí)，相互卡住的凹凸表面會(huì)被破壞，此時(shí)重物就會(huì)被突然拉動(dòng)，但又會(huì)被桌子另一處的凹凸不平的表面卡住。靜止一段時(shí)間，然后拉力破壞這一處的凹凸表面，再突然運(yùn)動(dòng)……如此循環(huán)，粘滑現(xiàn)象就產(chǎn)生了。這種感覺就像是我們用豎鋸剛開始拉鋸木頭一樣，一頓一頓的。

科學(xué)家之所以不直接下“粘滑現(xiàn)象是由摩擦力產(chǎn)生的”這一結(jié)論，那是因?yàn)榭茖W(xué)家在原子層面也發(fā)現(xiàn)了粘滑現(xiàn)象。在納米尺度上，物體的相互運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一種叫做“超潤滑”的無摩擦狀態(tài)，換而言之，摩擦力已經(jīng)沒有了。如果粘滑現(xiàn)象是由摩擦力產(chǎn)生的，那么沒有了摩擦力，粘滑現(xiàn)象也應(yīng)該消失了，然而科學(xué)家在拉動(dòng)納米物體的時(shí)候，還是觀察到了粘滑現(xiàn)象。

在對(duì)粘滑現(xiàn)象有了一些了解之后，我們下面來看看它是怎么跟小提琴扯上關(guān)系的。

最先對(duì)小提琴琴弦振動(dòng)進(jìn)行研究的是19世紀(jì)法國的物理學(xué)家亥姆霍茲，他還專門為此發(fā)明了振動(dòng)顯微鏡（如今有了更先進(jìn)的顯微鏡，振動(dòng)顯微鏡已經(jīng)極少被使用）。1885年，亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)，當(dāng)琴弓拉琴弦時(shí)，琴弓和琴弦實(shí)際上是先相互粘住一會(huì)，然后琴弦突然向后彈滑。如果琴弦發(fā)出的是悅耳的聲音，那么琴弦呈卵形來回振動(dòng)。另外，琴弦振動(dòng)的頂峰會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角，來回地進(jìn)行傳遞，而這個(gè)角后來被人們稱為亥姆霍茲角。

悅耳的琴聲和刺耳的琴聲之間的區(qū)別就在于前者只有一個(gè)亥姆霍茲角，而后者則有兩個(gè)或兩個(gè)以上的亥姆霍茲角，這也是小提琴老手與小提琴新手的區(qū)別。小提琴老手通過長期的訓(xùn)練，懂得了配合亥姆霍茲角的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)亥姆霍茲角轉(zhuǎn)了快一周，回來剛好經(jīng)過琴弓的位置時(shí)，他們再用與前一個(gè)力度相差無幾的力度拉，琴弦就一直只有一個(gè)亥姆霍茲角，因此它的聲音也就悅耳。小提琴新手則是在亥姆霍茲角回來之前又再用不同的力度拉了琴弦，制造出了一個(gè)或多個(gè)不同的亥姆霍茲角，幾個(gè)亥姆霍茲角相互干擾，琴弦的振動(dòng)也就不和諧，其產(chǎn)生的聲音也就不好聽了。

到了20世紀(jì)60年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師約翰·謝倫發(fā)現(xiàn)琴弓與琴弦的相對(duì)位置和力度之間的關(guān)系。換而言之，他發(fā)現(xiàn)了我們該以怎樣的力度來拉小提琴，才能使琴聲聽起來更悅耳一些。如果琴弓與琴弦的位置靠近小提琴琴橋（一個(gè)在小提琴腰部撐起琴弦的物體），那么我們要用更大的力，且盡可能地讓力度保持不變來拉小提琴;如果琴弓與琴弦的位置靠近小提琴指板，那么我們得用較小的力來拉。另外，我們的力度在一定范圍內(nèi)可以適當(dāng)變化，越靠近指板，這允許變化的力度范圍也就越大。

我們可以用上述竅門來拉出悅耳的小提琴聲。

讓我們回到粘滑現(xiàn)象。生活中的粘滑現(xiàn)象可以說是比比皆是。首先是樂器，除了小提琴，幾乎所有的琴類樂器，都是靠粘滑現(xiàn)象來振動(dòng)發(fā)聲。其次，在橡膠籃球場上，籃球運(yùn)動(dòng)鞋急停時(shí)的尖銳聲也是由粘滑現(xiàn)象所產(chǎn)生的。其他種類的急停，例如摩托車或汽車橡膠輪胎急停時(shí)的刺耳聲，以及地鐵或火車急停時(shí)的聲音等，它們其實(shí)也都是粘滑現(xiàn)象。

粘滑現(xiàn)象還能解釋某些地震產(chǎn)生的原因。一些地層相互之間會(huì)進(jìn)行緩慢的摩擦滑動(dòng)，如果滑動(dòng)速度一直不變，那么問題不大，很長一段時(shí)間過后人們才會(huì)發(fā)覺地質(zhì)有些變化。但由于粘滑現(xiàn)象，本來相互之間緩慢進(jìn)行滑動(dòng)的地層，會(huì)突然間加速滑動(dòng)，而這種情況就如同突然加速的火車，車上站著的乘客以及正在送飲料的服務(wù)員等人因此摔倒，地震也就產(chǎn)生了。

就連在生物界，也有使用粘滑現(xiàn)象來幫助自己生存的生物。有的人或許在看龍蝦記錄片時(shí)偶然聽到一聲急促的“咔噠”聲。這是龍蝦正在用自己的觸角摩擦自己的外殼，利用粘滑現(xiàn)象所產(chǎn)生的聲音。龍蝦就是靠著這股“咔噠”聲來嚇退侵略者。

以上只是粘滑現(xiàn)象的冰山一角，科學(xué)家如今還在對(duì)其背后的物理規(guī)律進(jìn)行研究。