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鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文）

2008-12-03 20:53阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1570262781

鱼洗搓动喷水的奥秘
张仁仪
导师：宋汉文 指导教师：顾如鸿
摘要： 鱼洗是我国的一种神奇的古代文物，它的喷水现象非常有趣，而对于鱼洗喷水的原理却有着很多不同的说法。本文通过我们实验中的发现，得出结论，解释我们对鱼洗喷水现象的最新认识。
关键词: 鱼洗；共振；驻波；板振动；自激振动；干摩擦
一、引言
鱼洗是我国著名文物之一，它蕴藏着丰富的科学现象和深刻的科学原理，至今尚未被人们完全认识。许多学校把它当作一个物理研究模型，并把其喷水现象解释为“共振”。然而这种说法并不严密，通过做实验和分析讨论，我们提出了另一些观点。
二、鱼洗现象
鱼洗，早期是帝王的玩物，后来成为中国古代达官贵人用来洗脸的高级器皿。它是一种铜浇铸的盆，盆壁很薄，貌似现代钢精锅，盆边上有手柄状的双耳，盆内铸刻有四条线条微突的游鱼图案。若将水灌入此器，并用刚洗净的双手缓慢而有节奏地摩擦盆边上的双耳，就会看见盆内刻的游鱼嘴边（靠盆边对称的四个区域）的水面产生皱波，并发出“嗡嗡”的蜂鸣响声。随着搓力加强，皱波处会激起水珠，甚至喷出水柱。如果用不同的方式手搓，还会出现盆边对称的六处、八处、十处、十二处、十四处……等等水面产生皱波。这种神奇的现象曾吸引了世界各地人们的兴趣，观赏者无不为此美丽、有趣的现象惊喜称奇，都渴望了解其中的奥秘。
鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文）
三、前人对鱼洗现象的说法
共振产生驻波现象：鱼洗本身是个振动体，用双手掌有节奏地摩擦双耳，实际上是在给鱼洗传递振动能。当手掌提供的策动力的频率与鱼洗壁的固有振动频率相近或一致时，鱼洗壁就发生了共振。鱼洗壁共振产生驻波，波腹处的振幅达到最大，波腹拍击水面的能量急剧增加，这时喷起到水柱也最高。鱼洗双耳失使鱼洗壁便于起振的部件，也是传递振动能量的部件，其主要功能是固定鱼洗壁振动时的波节和波腹的位置，以便在水面获得稳定的鱼鳞状波纹的喷水水柱。在共振的同时，鱼洗作为声源还会发出恰似钟鸣般的共鸣声。
四、探究鱼洗现象的真正奥秘
1．模态实验： 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文）
2.实验时的感受:
（1）在手搓时，双手有一种“身不由己”的感觉，双手似乎不由自主地在某个方向上不停来回搓动。
（2）一开始搓动，水面只有皱波，随着继续手搓，水波处运动逐渐剧烈，然后产生跳动的水珠，再喷出水柱，而且水柱越喷越高。
3.由实验得到的猜想：产生以上现象会不会是由于自激振动引起的呢？
4.什么是自激振动：
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（1）实验题目：
研究范德波耳（Van der pol）方程：
鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文）
所描述的非线性有阻尼的自激振动系统，其中 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文） 是一个小的正的参量， 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文） 是常数。
下面简称范德波耳方程为VDP方程。
（2）解题分析：自激振动是一个非线性有阻尼的振动系统，在运动过程中伴随有能量损耗。但系统存在一种机制，使能量能够由非振动的能源通过系统本身的反馈调节，及时适量地得到补充，从而产生一个不稳定的不衰减的周期运动，这样的振动成为自激振动。
对 VDP方程，可从机械振动角度理解， 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文） 是阻尼系数，它是变化的。如果 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文） ，则阻尼系数为正，系统将受阻尼，能量将逐渐减少；但如果 鱼洗搓动喷水的奥秘（高中时的课题型研究论文） ，则发生负阻尼，意味着不仅不消耗系统的能量，反而给系统提供能量。此系统能通过自动的反馈调节，使得在一个振动过程中，补充的能量正好等于消耗的能量，从而系统作稳定的周期振动。
（3）结果图形展示：
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5.探讨分析得出的观点：盛水鱼洗是一个壳液耦合系统，手可视为一个简单的弹性系统，则鱼洗搓振运动的力学模型可视为两个弹性系统间由于干摩擦引起的自激振动。
6.实验中的新发现：当盆受到的简谐激励力的频率大约为盆液耦合系统的某一固有频率（较高，例如几百赫兹）与盆内水的重力波频率（很低，例如几赫兹）之和时，系统将由高频的振动状态转变为水面以低频大幅重力波为主的运动。这种高频激励产生大幅振荡是流固耦合系统的一种强非线性行为。
7.影响鱼洗喷水效果的因素：
（1）液体的深度：液体越深，喷水效果越明显。
（2）液体粘度：液体越粘，喷水效果越明显。
（3）盆的大小：盆越大，水的波动越大。
（4）盆的厚度变化：影响不明显。
（5）盆的材料：材料越有弹性，越容易喷水。
（6）手搓方式（包括力量、频率、方向）：不同的手搓方式会产生不同的皱波。
（7）手的摩擦系数（即粗糙程度）：摩擦力越大，水的振动越剧烈。
（8）手的张紧度：影响不明显。
（9）外部干扰（会消耗振动能）：在手搓时，若有外物接触鱼洗壁，会阻碍喷水。
五、结论
通过对实验现象的观察及讨论分析，可以认为如果用激振器使鱼洗喷水，则此现象解释为“共振”并不为过，但如果用手搓来使鱼洗喷水，就不能用简单的“共振”来解释了，而要用“自激振动”的观点来说明。因为手是个复杂的物体，其运动方式也很复杂，手搓所产生的摩擦属于干摩擦。综上所述，鱼洗手搓现象的原理与“自激振动”有关，而不是简单的“共振”。
虽然我们又提出了新的观点，但鱼洗振动喷水的奥秘还是没有完全揭开，要借助现代科学揭示这些深层次的古代科学信息，还需攻克一些难点，或是发现一些新的科学现象、发展新的科学理论。
六、后记
鱼洗不仅本身很神奇，而且可以在物理学研究实验中起到典型的作用。鱼洗具有结构简单、图案分明、概念清楚等特点，所以我们可以用鱼洗作为实验模型来做以下动力学实验：
1. 模态分析实验
2. 自激振动实验
3. 强迫振动实验
4. 衰减振动实验
5. 共振现象实验
可见，鱼洗是世界科学技术史上一件非常有价值、非常了不起的发明创造。研究鱼洗能使我们进一步了解中国古代科技，从而促进现代科技的发展。

特别鸣谢：感谢复旦大学的宋汉文教授对我们课题的引导，感谢杨浦高级中学的顾如鸿老师对我们的实验方向的指导，感谢复旦大学的史琪玮学兄给予的悉心的帮助和支持。


参考文献及网站：
l 戴念祖，《中国力学史》，河北教育出版社，1988，《喷水鱼洗起源初探》，《自然科学史研究》1983年第1期
l 王大均，古代文物的力学性质研究，《文物保护与考古科学》，1993，5（1），35——39
l 刘习军，王大均，陈予恕，中华文物龙洗（鱼洗）有趣现象的非线性分析，《科学通报》，1996，41卷5期，413——417
l 关增建，《关于喷水鱼洗的一条新史料》，《中国科技史料》，1993年第2期
l 网站：www.google.com
l 网站：www.baidu.com

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