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摘要：物理學原理在美術工藝品中的廣泛應用為人們帶來了各種奇妙的美學體驗。以魚洗、馬踏飛燕和撒尿娃娃為例，探計了共振、平衡和熱脹冷縮等物理學原理在其中的應用。

關鍵詞：物理原理；美術工藝品；共振；平衡；熱脹冷縮

將物理學原理運用于美術工藝品的制作，不僅能營造出獨特的藝術美感，還能彰顯出科學的趣味。下面，筆者結合一些美術工藝品的具體實例，分析其中的物理學原理。

一、共振原理與魚洗

共振是一種奇妙的物理現(xiàn)象，它實際上屬于受迫振動的特殊情形。一個系統(tǒng)在外界周期性的驅動力作用下將發(fā)生受迫振動，如說話時，人的聲帶振動將能量和振動方式傳導給周圍的空氣，再傳導給人的耳膜，這一過程中空氣、耳膜等物質的振動都屬于受迫振動。受迫振動的頻率等于驅動力的頻率，當這個頻率等于物體的固有頻率時，物體的振幅最大，這就是共振現(xiàn)象。共振現(xiàn)象在生活中有著非常普遍的應用，有的地方必須避免共振，比如士兵在過橋時一般都要以便步的形式通過，因為整齊的步伐會帶來一個相對統(tǒng)一而穩(wěn)定的驅動力，如果這個驅動力的頻率和橋梁的固有頻率相去較遠，也不會造成太大危害，但是一旦非常接近，就可能將橋梁震塌，歷史上此類慘劇多次發(fā)生，還造成過嚴重的傷亡事故。當然共振在生活中也有重要的應用，比如在修建橋梁時，人們經常要將管柱打進江底當作基礎，如果打樁機擊打管柱的頻率等于管柱的固有頻率，則管柱將引起共振，這樣更加容易讓與之接觸的泥土松動，由此克服泥沙的阻力，直接插人江底。再如在建筑工地上，工人在澆筑混凝土的墻壁時，為了提高澆筑質量，一般都會一邊澆混凝土，一邊使用振蕩器使其振蕩，這樣的操作可以讓混凝土由于振動而變得更加堅實而細密。中國古人對共振現(xiàn)象也早有研究，比如在唐代有一個和尚很喜歡玩一種叫作“磬”的樂器，奇怪的是，每當夜深人靜的時候，這種特殊的樂器總是無緣無故地自己發(fā)出聲響來，這使得和尚非常驚奇，慢慢地就綱開始疑神疑鬼，終于憂慮成疾。這天，他的朋友前來探視，正巧寺院中的鐘聲響起，這時磬也跟著發(fā)出嗡嗡聲，這個朋友立刻受到啟發(fā)，他悄悄地用鋼銼在磬上狠狠地銼了幾下，自此以后，磬再也沒有無緣無故地響起，和尚以為鬼怪已經遠離，心病也就不藥而愈。事實上，夜深人靜的時候，磬的自發(fā)響動就是一種共振，因為外界風的吹動、寺院的鐘聲無一不是一種外加的擾動，湊巧某種擾動的頻率恰好與磬的固有頻率相等，因此引起共振，發(fā)出較大的聲響。那個朋友用銼在磬上銼過幾下后，就改變了磬的固有頻率，自然也就防止了共振的再次發(fā)生。共振現(xiàn)象在美術工藝品制作中被經常使用，比如圖1所示的“魚洗”，這種器物在先秦時期就被廣泛應用，而能夠噴水的魚洗最早出現(xiàn)在唐朝。它像一只臉盆，底部扁平，盆的兩側各有一個手柄，在盆底一般刻有幾條鯉魚，每條魚之間還有四條河圖拋物線。這一器具最奇妙的地方就是，當我們用手在兩側有節(jié)奏地摩擦兩個手柄時，盆會振動起來，而且里面的水波也開始不斷地振動和蕩漾。如果摩擦得法，還能噴出水柱。這包含著大童的物理原理，當兩只手搓動手柄時，就產生了兩個振源，盆和水發(fā)生振動也是很好理解的現(xiàn)象，如果兩只手摩擦的頻率恰好等于魚洗的固有頻率時，就發(fā)生了共振現(xiàn)象，進而產生大幅度的振動，顯現(xiàn)出噴水的奇景。

二、平衡原理與馬踏飛燕

地球上的物體都會受到重力的作用，任何物體要保持自身的平衡，都要協(xié)調好自身所受到的外力。在這一過程中，如何調控好重心的位置就相當關鍵。重心是一個重要的力學概念，它是物體各部分所受重力的等效作用點。從力學原理來講，物體要保持平衡其所受合外力就要為0。對那些受力較為簡單的物體，如只受重力和支持力的物體，我們要求它們所受的兩個力等大、反向、共線即可。由此可見，重心的位置相當關鍵，在生活中有著非常廣泛的應用。比如特技演員表演走鋼絲，他們手上一般都會平握一根平衡桿，這樣在行走的過程中就能實時調控自己的重心位置，讓自己的重心始終位于鋼絲的正上方，如此就可以讓支持力和重力實現(xiàn)平衡，確保人體保持平衡狀態(tài)。如圖2所示為1969年出土于我國甘肅的“馬踏飛燕”，它又被稱為“銅奔馬”。這架工藝品的獨特之處在于它將一只展開翅膀的飛鳥作為了馬的著力點，讓馬的重心與支撐點的連線正好垂直于飛鳥承托面，由此巧妙地實現(xiàn)了平衡效果。

三、熱脹冷縮和撒尿娃娃

熱脹冷縮是一種生活中最為常見的物理現(xiàn)象，其基本表現(xiàn)是物體在受熱時發(fā)生膨脹，在溫度降低時又發(fā)生收縮。這是什么原因導致的呢？我們可以用分子動理論進行解釋，即組成物體的分子在做永不停息的熱運動，當溫度升髙時，這些運動振動幅度將增大，由此使得物體的宏觀體積發(fā)生增大；當溫度降低時，這些熱運動的振動幅度將減小，由此則物體的宏觀體積也將發(fā)生收縮。熱脹冷縮在生活中有著非常普遍的應用，比如夏天路面會向上拱起來，這就是路面膨脹所引起的，因此混凝土路面每隔一定的距離都會留出一個伸縮縫，這樣就為熱脹冷縮預留了空間。再如，有的罐頭很難打開，這是因為在工廠生產時是將食物趁熱放進去的，當時氣體的體積比較大，冷卻之后氣體的體積減小了，外面的大氣壓將遠大于瓶內部，這樣就將蓋子牢牢地壓在瓶口上，因此很難打開。怎么解決這一難題呢？我們可以將罐頭泡在熱水里，經過一段時間，讓內部和外部經過充分的熱傳遞過程，當瓶內部氣體重新膨脹起來后就可以輕松將蓋子打開。又如，夏天在架設電線時，如果線路繃得比較緊，那么到了冬季，電線將因為溫度降低而發(fā)生收縮，進而導致線路斷裂，因此夏天架設電線都會適當?shù)厮沙谝恍崦浝淇s在美術工藝品制作中也有妙用，比如圖3所示的撒尿娃娃，這是一種用紫砂制成的小茶具，其基本結構是一個封閉的空腔，只開有一個小孔。使用時，先將其浸泡在熱水中，可以看到娃娃身上的小孔會向外不斷地冒圖3出氣泡，當氣泡逐漸消失時，再將娃娃浸泡在冷水中，開始時，撒尿娃娃處于傾斜的懸浮狀態(tài)，逐漸地隨著水通過小孔進入其中，它將變成豎直的懸浮狀態(tài)。將娃娃從冷水中取出，然后用熱水澆在娃娃身上，可以看到水從小孔中快速噴射而出，這就是我們常說的娃娃“撒尿”，而且還是吱吱的聲響，水流最急時可以沖擊到1．5m遠的距離。上述操作無論是注水還是噴水，都充分運用了熱脹冷縮的物理學原理。簡單說來，撒尿娃娃就是一個帶有小孔的空腔，將水注人其中是很困難的，但如果先將其浸泡于熱水中，使其內部空氣膨脹，將空氣排出來，再將其泡在冷水中，內部空氣遇冷收縮，則外部的水就會被壓人其中。然后將娃娃正立放置，則水全部集中于娃娃的下半身，再用熱水澆在娃娃的身上，則娃娃體內的空氣再度遇熱而膨脹，就將娃娃體內的水壓迫出來，這也就形成了“撒尿”的現(xiàn)象。將物理原理運用于美術工藝品的制作，充分展示了勞動人民的勤勞與智慧，這些值得我們在欣賞這些工藝品時細加品味。

參考文獻

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作者：李焱魏芳 單位：鄭州楓楊外國語學校