武际可教授：漫谈“周行效应”——追寻往复振荡现象的本源

weixin

我在此前写过一篇文章《漫谈就轮效应》[1]，说的是在自然界和社会中把往复和振荡的变化，改变为单向变化的效应。现在我要从另一方面来观察大自然和社会现象，简单的单方向的变化或运动，会引起往复和振荡效应。也许这在客观世界中是更为常见的现象。我们姑且把这种效应称之为“同行效应”。也可以说是一种反向的“棘轮效应”吧。

我们观察客观世界，无论是自然界，还是社会现象，总是充满了循环往复。老子把“道"的实质表述为“周行而不殆” [2]。就是说，客观世界永远是循环往复而无休止的运行着的。日月星辰，寒来暑往，周而复始，往复不已；生物的世代交替，世道的兴衰，股票市场的振荡起 伏，也是在无穷无尽的振荡中发展着。在物理和力学中研究的声波、水波、弹性波、光波、电磁波，在时间和空间上都是同期变化着的。

现在我们要问的是，客观世界，本来就是这样充满周行不已的的运动呢，还是由更为简单的单向变化转变而来的呢？既然一些科学家认定，宇宙是由本来是一个起点，经过大爆炸而来的，从逻辑上推论，我们自然可以想象，宇宙起源的最初一定是只有简单的单向的变化，而随后才发展出许多往复循环的复杂花样，以至于，这种同行变化充满宇宙的任何一个角落"而不殆”。另外一些人曾经认定，宇宙的初期是处于浑沌初开，天地混一，也是很简单的一种运动，后来才发展出复杂的情形，重者为地，轻者为天。到底宇宙是怎样发展到现在的摸样的，这实在是一个很有意思的问题。

要普遍地论证这件事，还是有一定的困难的。而且就目前我们看到的文献，也没有普遍严格的论证。不过我们可以从简单的现象来加深这种理解。

我们先来考虑几个简单的例子：

图1是自来水龙头没有拧紧时的情形，这时，从龙头狭缝里，单向地连续地往外流水，不过由于水的表面张力的阻挡，水没有办法连续地流下去。等到积累到一定程度，在重力作用下，达到表面张力无法支持才整滴地下落，而形成周期性的滴答。

图1

图2是一个标准的间歇虹吸的示意图。水管2连续地往容器1中注水，只有水面高过虹吸管才把容器中的水很快泄流，而当水面低于h1时虹吸断流。整个看起来，这个设备把水管2的单向连续的流动转变为3的断续而又周期性的流动了。

图2

图3的装置，是一端系在弹簧上的滑块m 被搁置于以V0速度运动的传送带上，弹簧的另一端固定。

图3

在人们想象中，由于传送带的运动，滑块会随着传送带向前一段距离，在新的位置上达到新的平衡。其实不然，最先滑块是静止在传送带上的，当传送带向前运动一小段距离后，由于摩擦力作用，滑块相对于传送带还是静止地跟随运动，不过弹簧被拉长了一小段。当传送带继续向前，摩擦力不能与弹簧继续伸长增加的弹力平衡时，滑块就不能够再前进而与传送带产生了相对运动。由于滑块与传送带之间的摩擦力φ(y.) 是与这个相对运动动速度y. 的大小有关（如图3b），而且当y. 不为零时，它比最大静摩擦要小一点。所以这时，滑块就会迅速后退，在弹簧与传送带的共同作用下，就会来回摆动，形成通常说的摩擦振动.。

以上三个例子，都是有把单向的简单运动变为往复运动的效应的。我们可以总结它们的共同特点是：都具有单向的简单运动，阻碍单向运动能量积累的机制和能量释放的机制。可以把这三点简单归结为：单向运动和擒（阻碍）纵（释放）机制。在例1的单向运动是，水管的进水，阻碍机制是表面张力，释放机制是重力作用下是表面张力破裂水滴下落。在例2中的单向运动是水管2的连续进水，阻碍机制是水位下落到h1，释放机制是虹吸管3的快速泄流,。而在例3中，单向运动是传送带的匀速运动，阻碍机制是弹簧拉住滑块，释放机制解释滑块所受的摩擦力达到最大静摩擦后的滑脱。简单说来，它们都是把一种简单的单向变化在一擒一纵之间变为往复的或周期的变化。在以往的研究中，人们把这类现象统一归结为一类力学现象，称之为“自振” [3]。

可不要轻视我们刚才考查的这三个简单的例子。其实从机理上说，成千上万种类的简单的单向运动变为往复运动都和它们具有共同的道理。摆钟把发条的能量转变为钟摆不间断的摆动、蒸汽机把单向送来的蒸汽转变为活塞的往复运动、汽锤、心脏的跳动、电铃的鸣响等等，都是这个道理。

单向的风可以激发树枝的往复摇动，可以引发树叶的沙沙作响，可以吹皱一池春水激起波浪，可以使无垠的平沙形成空间周期分布的沙丘和沙波。进而，凡是两种相互之间有相对运动的介质，在一定条件之下，都会出现这种界面之间的随空间分布的周期现象。

图4

地震活动的平静与再现、火山的沉寂与复活、具有某种往复规律。在一定程度上，集权社会的镇压与暴动，改朝换代、股票的涨落以及经济危机，也具有一定的周期。它们的规律也有类似特点。

单向在弦上移动的弓，可以使小提琴和二胡的弦产生往复振动而发出美妙的声音，单向的鼓风可以使风琴、排箫、笛子、黑管和唢呐等也发出美妙的声音，此外各种语音、鸟兽鸣声，都是单向的气流引起的发声。进而，一切摩擦噪音，也都是物体之间的摩擦力和物体的弹性力交互擒纵产生的。

熟悉流体力学的人自然会联想到，在均匀来流绕过圆柱之后，产生的漩涡是周期性地交错排列的，这就是所谓的卡门涡街。水平夹在两层温度不同的平行金属板之间的流体，当下面的金属板温度比上层金属板高过一定值后，流动会形成沿空间周期分布的胞腔，称为白纳腔。这些都是由于流体具有粘性的缘故。

既然具有正压力的固体之间相互运动时永远存在有摩擦力，既然流体流动永远是有粘性阻力存在，那么，无论是固体还是流体运动就不可避免地要存在“擒纵效应”。也就难免要产生把单向运动变为往复运动的效应。这就是说，“周行效应”总是难免要发生的。也就是说，如果宇宙的起源是由简单的单向运动组成，那么，“周行效应”将使它发展变化出大量的往复运动，使得运动更为复杂和丰富多彩。

联系到我们讨论过的“棘轮效应”，我可以想象，宇宙的各种发展变化中，有时是体现为将往复变化变为单向发展的变化，这就是棘轮效应。有时又是单向运动变化为往复运动和变化，这就是周行效应。前者体现进化和发展，后者体现周期变化和振荡。这能不能说是宇宙演化的两种交替起作用的基本方式呢？很耐人寻味。

参考文献：
[1] https://blog.sciencenet.cn/m/user content.aspx?id=336792
[2] 道德经，第25章
[3] (苏)哈尔克维奇著，自振，科学出版社，1957

来源：武际可科学网博客，作者：武际可。

mxlzhenzhu

我的帖子都被屏蔽了，是怎么了

aspen

mxlzhenzhu 发表于 2022-12-15 17:23
我的帖子都被屏蔽了，是怎么了

没有屏蔽，最近升级了一下运行环境软件，原来安装的插件有点问题，导致帖子显示出现了问题，已经临时修正