“鱼洗”的原理及中国古代共鸣现象的探索
                    ——物理实验探索报告

 

   
     “洗”是中国古代用来盛水和洗东西的盆形器具，是用黄铜制作的。在其两侧各有一个环形提手，叫做“洗耳”。“鱼洗”是一种因铸有鱼形图案花纹而得名的“洗”。                                  
     鱼洗,它的大小像一个洗脸盆，底是扁平的，盆沿左右各有一个把柄，称为双耳；盆底刻有四条鲤鱼，鱼与鱼之间刻有四条河图抛物线。根据经书记载，倒入半盆水，双手用力往复摩擦盆的双耳，未久，发生共振，盆里的水居然分成四股水箭向上激射出两尺多高，并发出震卦爻时的古音，而与黄钟之声一致。传说此物曾于古代作为退兵之器，因共振波发出轰鸣声，众多鱼洗汇成千军万马之势，传数十里，敌兵闻声却步。鱼洗反映了我国古代科学制器技术，已达到高超的水平。现在仿古制做的震盆盆内刻有龙形，故亦称龙洗。
    实验操作：浸湿双手，有节奏地磨擦盆耳，观察水波的振动，水花的泛起，同时听到嗡嗡声。
    实验原理：物体在周期性外力-策动力作用下的振动，叫受迫振动。当策动力的频率与物体的固有频率相等时，振幅最大，这种现象叫共振。
    说明：鱼洗的水花、水波的泛起和铜盆的嗡嗡声是因手对盆耳的磨擦频率与水和铜盆盆腔的振动频率发生共振引起的。但由于“洗”底的限制，使它所产生的波动不能向外传播，于是在“洗”壁上入射波与反射波相互叠加而形成驻波。驻波中振幅最大的点称波腹，最小的点称波节。用手摩擦一个圆盆形的物体，最容易产生一个数值较低的共振频率，也就是由四个波腹和四个波节组成的振动形态，“洗壁”上振幅最大处会立即激荡水面，将附近的水激出而形成水花。当四个波腹同时作用时，就会出现水花四溅。有意识地在“洗壁”上的四个振幅最大处铸上四条鱼，水花就像从鱼口里喷出的一样。

   鱼洗所包含的共振原理对于我们已不陌生，实验之后，我发现它带给我的除了物理探索的乐趣外，更多的是对我国古代科学文明的思考以及对历史的由衷的赞叹。在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，仅仅是对共鸣现象的研究，也值得今人为之自豪。

    西汉董仲舒认为物体之所以“自鸣”，必有“使之然”的原因——“声比则应”以及“五音经而自鸣”，他已粗略地阐明了共鸣的物理过程。晋、唐又有了消除共鸣的方法记载：晋代的张华指出，钟与铜盆共鸣时用工具改变其中之一的重量或形状，便可消除，唐代《刘宾客嘉话录》记有洛阳某僧房的磬无故自鸣，僧俱成疾，其友曹绍夔闻讯问候时发现斋钟有声磬也作声，次日取锉鑢磬数处其声遂绝。曹解释说：“此磬与钟律合，故击彼此应”。明白真相后僧人不治自愈了。

   《梦溪笔谈》是北宋科学家沈括的著名著作。《笔谈》也记载了对共鸣的研究，沈括友人的琵琶置于空室，当管乐奏双调时琵琶不奏自鸣，友人视为至宝，沈括则指出：“殊不知此乃常理”，认为这是一种普遍的自然现象。沈还用实验揭示了共鸣的机理：“欲知应声者，先调其弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，它弦不动。”是说剪些小纸人放在琴弦上，拨动一根琴弦，可以看到与它频率相应的另一琴弦上的纸人跳动不止，而其它弦上的纸人则纹丝不动，沈括的实验要比意大利达·芬奇的同类实验早几个世纪。

    明清之际的方以智看过《梦溪笔谈》后，重复了共鸣实验并扩大了认识范围，他在《物理小识》中写道：“今和琴瑟者，分门内外，外弹仙翁，内弦亦动，如定三弦子为梅花调，以小纸每弦帖之，旁吹笛中梅花调一字，此弦之纸亦动。”这是说，先将乐器分别置于门内外，外弹仙翁调时门内的琴弦也发生共鸣；若将三弦定成梅花调，再用同一调吹笛子时三弦也会振动，这是不同乐器上的共鸣，于是证明了发生共鸣的条件是频率相同，而与乐器的种类无关，这一点是沈括没有认识到的。

    诸如此类的例子还有很多，就不一一列举了。不管是“唐代鱼洗”还是“沈括纸人”，从中我们都可以领略到人类的科技之树，原本植根于古老文明的土壤。即使是当代的高科技，也折射出古老文明的异彩。更让我们认识到，作为当代人，站在前人的肩膀上所应该背负的更沉重的使命，谨以“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”作为自勉。