本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点。
自五世纪以来宗教仪式中使用的乐器与现代物理学有什么关系?当这些乐器可以创造液体喷泉、波浪图案和飞溅的液滴时——关系很大。
几个世纪以来,西藏颂钵一直被用于发出声音以辅助冥想。冥想者可以敲击通常由青铜合金制成的钵,以产生铃声,或者用槌子在钵的边缘摩擦以产生持续的嗡嗡声。
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摩擦边缘产生声音的原因与用湿手指沿酒杯边缘摩擦发出高音的原因相同:槌子或手指的运动会激发乐器振动,从而产生声波。
反过来也是如此:对着西藏颂钵演奏音符会激发与声波频率相同的振动,当我们向钵中注水时,我们可以实际看到这种现象。钵的振动推动与钵壁直接接触的水分子,这些水分子反过来又推挤它们的邻居,在液体中产生波浪。(这种效应也发生在中国颂钵中,这是一种带有两个把手的宽边金属钵,不同之处在于,刺激振动不是摩擦边缘,而是弄湿双手然后摩擦把手。)
在某些“共振”频率下,钵以基本模式或“模态”振动,从而产生有趣的波浪图案。例如,在这种模式下,波浪在液体表面扩散,仿佛它们是从正方形而不是圆形的边沿发出的。
当钵振动足够剧烈时,波浪的能量非常大,以至于波浪的运动变得混乱,液滴从大量水池中脱离出来,飞出钵外。比利时列日大学的 Denis Terwagne 和麻省理工学院的 John Bush 研究人员用高速摄像机记录了波浪,以便研究导致液滴飞溅的流体动力学。他们发现他们甚至可以使液滴在液体表面跳跃,或者像蹦床上的球一样上下弹跳。
Terwagne 和 Bush 将液滴的大小与液体表面上下摇动时产生的液滴大小进行比较。但是如何摇动液体表面呢?在 Terwagne 2010 年发表在预印本博客 arXiv.org 上的先前研究中,他将各种形状的潜水钟浸入硅油中以创建受控的液体表面,然后上下晃动潜水钟以摇动这些表面。这项工作产生了级联的液滴,如下面的视频所示。