大多数人只知道挠黑板的声音让人抓狂，但不知小提琴也是同款原理 | 科学DIY_风闻

【本文由公众号“把科学带回家”提供，ID：steamforkids】

相信你一定很讨厌指甲抓黑板的声音。光是码下这行字，就足以让人抓耳挠腮了。

可是你知道吗，小提琴美妙的声音，和指甲抓黑板其实应用的是同一个原理。

关键概念

粘滑现象

材料和操作

弹簧秤

粘滑现象

用一个弹簧秤拉住一块重物，然后在桌子上慢慢拖。观察重物的动作是什么样的。是不是一开始拖不动，然后突然在桌面上滑动了起来，然后不断重复这个循环？

这个动作，就叫做粘滑现象（stick-slip phenomenon）。

原理

其实，证明小提琴和指甲抓黑板是一回事很简单，去听听新手拉小提琴你就知道了。

新手拉的小提琴，和指甲划黑板的残暴程度是差不多的。如果你再回忆回忆就会发现，刹车的声音、餐具剌玻璃的声音、球鞋摩擦篮球场的声音、生锈的门开关时吱吱呀呀的声音，好像都差不多。这是个巧合吗？

并不。这类声音有相同的原理——粘滑现象。

虽然从原子到地壳板块都可以观察到粘滑现象，用中学的经典力学也可以描述它，不过科学家们对它的原理还没有达成一致。

但问题来了，小提琴发声也是靠粘滑现象，为什么指甲划黑板、刹车这些声音不好听呢？

这是因为它们是不和谐的声音，并不像小提琴那样是频率和强度受到严格控制的悦音。

有人可能要问了，那么高手和新手都拉的小提琴，为什么后者拉得这么难听？

这就要从小提琴的原理说起了。看完它的原理，你就能理解小提琴为何这么难拉了。

实际上，虽然小提琴有500年的历史，但是我们真正理解小提琴的原理，才不过134年。这主要是因为，琴弦上的波的传播速度达到了430米/秒，超过了声波在空气中的传播速度（340米/秒），所以肉眼观察十分困难。

不过在1885年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）找到了一个很聪明的观察法。他借鉴了利萨茹的设计，发明了振动显微镜（vibration microscope）。这是一个能和样本一起振动的显微镜。

振动显微镜

@case.edu

他发现，当小提琴发出悦耳的声音时，琴弦在一个蛋形里来回振动。当琴弓拉琴弦的时候，琴弦和琴弓实际上一会儿粘住，一会儿相互摩擦，在做粘滑运动。

琴弦在这种不断的拉扯又松开的过程中发生振动，并把这种振动传递给了小提琴的琴身放大，然后就发出了声音。而琴弓则通过粘滑运动为琴弦输送能量，维持音符。

我们来看看小提琴的粘滑慢动作——

@3piecesuits

如果把琴弦的动作分解，就会发现它们实际上在每一刻都呈V字型。这个V的顶点就叫做亥姆霍茲角（Helmholtz corner）。亥姆霍茲角经过琴弓的时候，就会在粘和滑两个动作之间转换。

正确地拉小提琴时产生的亥姆霍茲角

来看看慢动作的亥姆霍茲角——

@violinbow

但是，如果乐手是个菜鸟，不知道怎么拉，用力太小，不晓得让亥姆霍茲角和琴弓配合，那么拉出来的噪音就是这样的图形——

产生错误的声音surface sound时琴弦的图形

乐理老师通常把这种糟糕的图形的声音叫做 surface sound，然后鞭笞你的手。当然，如果用力过猛，琴弦的图形是杂乱无章的，乐理老师就会把你吊起来打。

努力配合亥姆霍茲角，既不要用力过猛，也不能太弱，就是小提琴难拉的原理了。

需要指出的是，琴弓施力的大小只是拉小提琴的一个方面，琴弓在琴弦上的位置也很要紧。

大概在20世纪60年代，贝尔实验室的工程师 John Schelleng 发现了琴弓位置和力度之间的关系，画成图是这样的——

琴弓的位置（横坐标），琴弓的力以及声音的关系

左下角白色区域是 surface sound，右上角是噪音，只有灰色斜体区域才是不会被老师鄙视的正确音调。

亥姆霍兹老师不仅研究过小提琴，还研究过空气在中空腔体内的共振——亥姆霍兹共振。有些悠扬的P，就是亥姆霍兹共振到位了呢。

1890-1900年制造的球形亥姆霍兹共振器

@wikipedia