大家大概都在游乐场推过秋千。如果随便什么时候用力推，秋千反而会颠簸；但如果在秋千向后荡去、正要向前荡回的那一刻轻轻一推，即使用很小的力，它也会越荡越高。比起力的大小，推的时机更加重要。
在物理学中，像这样物体自身喜欢摇摆的节拍与外部施加的力的节拍恰好吻合、使摇晃大幅增强的现象，被称为“共振（Resonance）”。共振能放大乐器的声音，驱动医院的诊断设备，但有时也会让坚固的桥梁摇晃起来。
本文将介绍什么是共振、固有频率的含义、摇晃逐渐变大的原理、共振在生活和技术中的应用，以及共振引发的事故和预防方法，力求通俗易懂。
共振的原理与应用
什么是共振
每个物体都有自己喜欢摇摆的节拍。把用绳子挂着的重物轻轻碰一下，即使没有人规定，它也会以一定的快慢来回摆动。物体像这样自行摇摆时的快慢，就叫作固有频率（Natural Frequency）。
频率表示1秒内来回摆动多少次，单位是赫兹（Hz）。1秒摆动一次是1Hz，摆动十次是10Hz。固有频率由物体的质量、刚度和形状决定。又短又紧的吉他弦振动得快，又长又松的弦振动得慢，也是这个缘故。
当外部周期性施加的力的频率与这一固有频率相同或非常接近时，就会发生共振。这时，即使只受到很小的力，物体摇晃的幅度，也就是振幅，也会明显变大。
摇晃逐渐变大的原理
共振的秘密在于能量积累的方式。节拍吻合时，外力总是沿着物体运动的方向作用，因此每推一次，能量就会增加一点。
（1）节拍不吻合时
力有时帮助运动，有时阻碍运动。增加的能量和被夺走的能量相互抵消，摇晃无法大幅增长。
（2）节拍吻合时
力每次都帮助运动，能量一点一点地积累起来。即使力的大小相同，摇晃也会越来越大。
（3）阻尼的作用
实际的物体会因空气阻力或摩擦而逐渐损失能量。这叫作阻尼（Damping），阻尼越小，共振时摇晃增强得越厉害。
因此，几乎没有阻尼的物体在共振频率下反应非常强烈，频率只要稍有偏离，反应就会迅速减弱。相反，阻尼大的物体即使发生共振，摇晃也不会大幅增长。声音也是如此。如果两个音叉的固有频率相同，敲响其中一个，没有碰过的另一个也会跟着响起来。
生活与技术中的共振
共振凭借放大摇晃的特性，在许多地方得到有效利用。
- 乐器（Musical Instrument）：吉他和小提琴的木制琴身与琴弦的振动发生共振，把微弱的声音放大得洪亮而饱满。
- 无线电调谐（Radio Tuning）：收音机把电路的共振频率调到想收听的电台频率，只选择接收该信号。
- 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）：利用体内氢原子核在强磁场中与特定频率的电波发生共振的性质，以图像显示身体内部。
- 微波炉（Microwave Oven）：微波使食物中的水分子快速振动而产生热量。这与严格意义上的共振稍有不同，但因为同样是用电磁波使分子振动，常被放在一起介绍。
手表里的小小石英片也利用了共振。石英在施加电压后会以非常稳定的频率振动，许多手表以每秒振动32,768次的石英为基准来计时。歌手用高音震碎酒杯的场面，也是因为与酒杯固有频率相吻合的声音使酒杯剧烈振动。
共振引发的事故与预防方法
共振也会影响巨大的建筑物。1831年，在英国的布劳顿吊桥上，74名士兵齐步行进，桥随着步伐剧烈摇晃，最终一端坍塌落入河中。所幸无人死亡，但此后英国军队下令，过桥时不得齐步走。
2000年6月在伦敦泰晤士河上开通的千禧桥，开通后不久也出现了剧烈的横向摇晃。桥稍一摇晃，众多行人为了保持平衡，不知不觉地让步伐与桥的摇晃同步，这股力量又使摇晃进一步加剧。大桥开通两天后即被关闭，安装了减少摇晃的阻尼装置后，直到2002年2月才重新开放。
为了防止这类事故，工程师在设计建筑物时会预先计算固有频率，并调整质量和刚度，使其不与人的步伐、风或机器振动的节拍重合。高层建筑有时还会安装调谐质量阻尼器，即悬挂一个与建筑反向摆动的巨大重物来减少振动。
共振是把小力变成大运动的自然放大器。理解了它的节拍，就可以用它来放大声音、选择信号，反过来也能提前避开危险的摇晃。
读懂看不见的节拍，这正是驾驭摇晃的智慧的第一步。
