共振破坏力到底从何而来，为什么能轻易摧毁一座大桥？

我们在小学时曾学过一篇课文，说的是1902年1月，一支沙皇俄国的军队迈着整齐的步伐，雄纠纠，气昂昂地通过彼得堡封塔河上的爱纪毕特桥时，桥身突然断裂的事故。

那我们都知道是共振是这次灾难的罪魁祸首，但可能有很多朋友还是没有弄明白，为什么共振会有这么大的破坏力呢？什么谐波什么固有频率的好复杂呀，今天就让我用最简单的语言给大家把这个事儿给大家解释明白。

形变是力的根源

首先我们要知道，桥为什么会被破坏呢？其实关键在于形变。我们宏观世界中的所有物体在受力时都会产生形变，虽然有些材料非常的坚硬，形变小到几乎不可察觉，但只要实验仪器足够精密，还是可以观测到的。

形变会改变分子间的相对距离，而分子间的力是引力与斥力的合成，当距离太近时表现为强大的斥力，太远时又表现为极弱的引力，只有在一个很小的区间内才表现为我们通常所感知到的物体刚性，也就是下图中a到b点之间的距离。

那么当物体受力时，分子间的距离会向b点移动，产生更大的力以平衡外力；而如果外力太大，即使分子间距离超过了b点也依然无法平衡的话，就会发生断裂。

能量、力与形变的关系

好，既然确定了形变是破坏的根源，我们就要知道的是，能量、力与形变之间的关系是怎样的；一个1吨重的铁球，从30米高的地方落下，坠地瞬间速度24.243米/秒，释放的总能量高达294千焦，那这些能量足以让破坏承重能力是多少的物体呢？

有一个大家都没有注意到的参数，即碰撞过程消耗的时间，瞬间冲击力F=mv/t，m是质量，v是速度，可见mv是确定值，对铁球来说是24243kg·m/s，如果撞击的是草地，从接触到停止的时间取0.3秒，瞬间冲击力等同于8.245吨；如果是干土地，撞击时间取0.1秒，冲击力等同为24吨；如果是一块一米见方的大水晶呢？撞击时间取0.01秒的话，水晶在瞬间受到的力高达242吨。

而瞬间冲击与静态压力效果基本相同，也就是用1吨的铁球从30米处砸大水晶，和直接用242吨的重物压大水晶的效果是没啥区别。大桥的静态极限承重力远大于在上面行走的军队，那为什么还会倒塌呢？相信你也已经能猜到问题的所在了，因为大桥在某个时刻受到了超过静态极限的动态力，所以材料分子被撕裂，结构被破坏了。

如何创造出如此巨大的动态力？其实在F=mv/t中我们已经可以窥见端倪，理论上只要撞击时间极小极小，就算是叹口气的能量也能产生几万吨的力，所以在一些特殊物理现象的加持下，就会出现“以小博大”的惊人现象。

而这正是共振的拿手好戏，因为共振擅长“储存能量”，虽然每一点能量产生的瞬间冲击力都不足为虑，但积累到一定程度就会势不可挡。

积蓄实力的共振

还记得摆钟的原理吗？无论摆幅度有多大，一个周期消耗的时间都是相同的；硬质物体在敲击的时候无论用力多大发出的声音频率都是固定的，这都指向了一个结论——物体的运动或振动都存在一个“先天属性”，无论一开始受到的外力如何，只要任其自由运动（振动）就会变成一个不变的值，对于振动来说这个先天属性就是“固有频率”。

物体在固有频率下振动时，持续不断地小形变让能量实现了“分子势能→动能→分子势能”的循环。如果不加干预，这些能量最终会变成原子摩擦的热能与声音中的能量消散掉；但如果配合着振动周期输入能量，每当其形变时就推一下，会怎么样？

结果就是除了热能与声音的耗散，多余的能量都被保存下来了，变成了更大幅度的振动！这与推秋千的经验惊人的相似，只有在人向下滑时推才能省力又高效，如果故乱推结果往往是这一次用的力气把上一次的力气给抵消了，白费力气。

所以当军队步伐整齐地走上石桥时，因为纯粹地巧合，这座桥的固有频率与踏步频率很接近，导致每一次踏步的能量都会被保存一部分，变成更大辐度的形变，最终将一座本来能承受10倍桥上军队体重的坚固石桥摧毁。

共振永远防不胜防

现代桥梁的设计往往会将共振因素考虑进去，通常步频不会与桥体发生共振，但共振的危害依然防不胜防，比如1940年通车的塔科马海峡大桥，仅仅投入使用四个月后就在微风的吹动下发生共振并坍塌，当然这已经是80年前的事故了，如今的造桥工程已经拥有了完善的抗风共振的机制，共振造成的威胁已经越来越低了。

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