能量與材料的相互作用
本小節分為六個部分:
1 機械能與材料:彈性與強度
2 機械能與材料:屈服與斷裂
3 材料力學特性小結
4 熱能與材料
5 化學能與材料
6 聲能與材料
6 聲能與材料
我們前面提到了橫波,也就是跟水裡的波浪一樣,他的擺動與他前進的方向是相互垂直的。有另外一種波,叫縱波,它的變動方向和他的前進方向是平行的。聲波就是這樣。外來的聲能,實際上是對於材料的分子的擠壓,因此也可以說是一種動能。這也呼應了為何聲音不能在真空中傳播。
在固態的物體中,聲能的傳播會受到多種影響。物體的形狀,結構的材料,材料之間的接觸面⋯⋯一些東西善於反射聲音,而另一些容易吸收聲音。聲音吸收後可能會變成其他能量,比如會發熱。就像光線在水中光路會變化一樣,聲音也有折射現象,比如經過不同的材料,不同的溫度、壓強或濕度。
在一個密閉的空間當中,聲音的反射和折射就構成了「回音」。這可能進一步產生「共振」:一些特定的頻率,可能導致一個物體或者一個空間,在兩個或多個穩定的狀態下來回震盪。共振可以使得一個系統當中能量反覆循環轉化,好比如弦樂器振動時,動能與彈性勢能轉化。在共振頻率產生的時候,一個系統可以非常有效地儲存能量,並且把小小的顫動迅速地擴展成大幅度的震盪。這一過程,對於橫波和縱波都是適用的。
在建築當中共振現象很常見。比如有重型卡車開過路面的時候,旁邊的房子甚至門窗都會產生搖晃現象。
也有時候建築會成為樂器。風以特定的速度特定的方向吹過建築的孔洞會發生奇特的聲音!
人能夠聽見的聲音在10到20,000赫茲範圍內。有一些貝司發出的低沉聲音,會被我們物理的身體感受到,但是並非被耳朵聽到。有一些高頻率的震動,我們也聽不到,但是會影響我們的神經與內分泌。所以我們要理解到,聲音的能量,是和一切氣體、液體、固體相關的,也包含多種振動形式,無形地影響著我們的生活。