本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點。
自五世紀以來宗教儀式中使用的樂器與現代物理學有什麼關係?當這些樂器可以創造液體噴泉、波浪圖案和飛濺的液滴時——關係很大。
幾個世紀以來,西藏頌缽一直被用於發出聲音以輔助冥想。冥想者可以敲擊通常由青銅合金製成的缽,以產生鈴聲,或者用槌子在缽的邊緣摩擦以產生持續的嗡嗡聲。
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摩擦邊緣產生聲音的原因與用溼手指沿酒杯邊緣摩擦發出高音的原因相同:槌子或手指的運動會激發樂器振動,從而產生聲波。
反過來也是如此:對著西藏頌缽演奏音符會激發與聲波頻率相同的振動,當我們向缽中注水時,我們可以實際看到這種現象。缽的振動推動與缽壁直接接觸的水分子,這些水分子反過來又推擠它們的鄰居,在液體中產生波浪。(這種效應也發生在中國頌缽中,這是一種帶有兩個把手的寬邊金屬缽,不同之處在於,刺激振動不是摩擦邊緣,而是弄溼雙手然後摩擦把手。)
在某些“共振”頻率下,缽以基本模式或“模態”振動,從而產生有趣的波浪圖案。例如,在這種模式下,波浪在液體表面擴散,彷彿它們是從正方形而不是圓形的邊沿發出的。
當缽振動足夠劇烈時,波浪的能量非常大,以至於波浪的運動變得混亂,液滴從大量水池中脫離出來,飛出缽外。比利時列日大學的 Denis Terwagne 和麻省理工學院的 John Bush 研究人員用高速攝像機記錄了波浪,以便研究導致液滴飛濺的流體動力學。他們發現他們甚至可以使液滴在液體表面跳躍,或者像蹦床上的球一樣上下彈跳。
Terwagne 和 Bush 將液滴的大小與液體表面上下搖動時產生的液滴大小進行比較。但是如何搖動液體表面呢?在 Terwagne 2010 年發表在預印本部落格 arXiv.org 上的先前研究中,他將各種形狀的潛水鐘浸入矽油中以建立受控的液體表面,然後上下晃動潛水鐘以搖動這些表面。這項工作產生了級聯的液滴,如下面的影片所示。