美术工艺品制作中物理学的应用范文

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摘要：物理学原理在美术工艺品中的广泛应用为人们带来了各种奇妙的美学体验。以鱼洗、马踏飞燕和撒尿娃娃为例，探计了共振、平衡和热胀冷缩等物理学原理在其中的应用。

关键词：物理原理；美术工艺品；共振；平衡；热胀冷缩

将物理学原理运用于美术工艺品的制作，不仅能营造出独特的艺术美感，还能彰显出科学的趣味。下面，笔者结合一些美术工艺品的具体实例，分析其中的物理学原理。

一、共振原理与鱼洗

共振是一种奇妙的物理现象，它实际上属于受迫振动的特殊情形。一个系统在外界周期性的驱动力作用下将发生受迫振动，如说话时，人的声带振动将能量和振动方式传导给周围的空气，再传导给人的耳膜，这一过程中空气、耳膜等物质的振动都属于受迫振动。受迫振动的频率等于驱动力的频率，当这个频率等于物体的固有频率时，物体的振幅最大，这就是共振现象。共振现象在生活中有着非常普遍的应用，有的地方必须避免共振，比如士兵在过桥时一般都要以便步的形式通过，因为整齐的步伐会带来一个相对统一而稳定的驱动力，如果这个驱动力的频率和桥梁的固有频率相去较远，也不会造成太大危害，但是一旦非常接近，就可能将桥梁震塌，历史上此类惨剧多次发生，还造成过严重的伤亡事故。当然共振在生活中也有重要的应用，比如在修建桥梁时，人们经常要将管柱打进江底当作基础，如果打桩机击打管柱的频率等于管柱的固有频率，则管柱将引起共振，这样更加容易让与之接触的泥土松动，由此克服泥沙的阻力，直接插人江底。再如在建筑工地上，工人在浇筑混凝土的墙壁时，为了提高浇筑质量，一般都会一边浇混凝土，一边使用振荡器使其振荡，这样的操作可以让混凝土由于振动而变得更加坚实而细密。中国古人对共振现象也早有研究，比如在唐代有一个和尚很喜欢玩一种叫作“磬”的乐器，奇怪的是，每当夜深人静的时候，这种特殊的乐器总是无缘无故地自己发出声响来，这使得和尚非常惊奇，慢慢地就綱开始疑神疑鬼，终于忧虑成疾。这天，他的朋友前来探视，正巧寺院中的钟声响起，这时磬也跟着发出嗡嗡声，这个朋友立刻受到启发，他悄悄地用钢锉在磬上狠狠地锉了几下，自此以后，磬再也没有无缘无故地响起，和尚以为鬼怪已经远离，心病也就不药而愈。事实上，夜深人静的时候，磬的自发响动就是一种共振，因为外界风的吹动、寺院的钟声无一不是一种外加的扰动，凑巧某种扰动的频率恰好与磬的固有频率相等，因此引起共振，发出较大的声响。那个朋友用锉在磬上锉过几下后，就改变了磬的固有频率，自然也就防止了共振的再次发生。共振现象在美术工艺品制作中被经常使用，比如图1所示的“鱼洗”，这种器物在先秦时期就被广泛应用，而能够喷水的鱼洗最早出现在唐朝。它像一只脸盆，底部扁平，盆的两侧各有一个手柄，在盆底一般刻有几条鲤鱼，每条鱼之间还有四条河图抛物线。这一器具最奇妙的地方就是，当我们用手在两侧有节奏地摩擦两个手柄时，盆会振动起来，而且里面的水波也开始不断地振动和荡漾。如果摩擦得法，还能喷出水柱。这包含着大童的物理原理，当两只手搓动手柄时，就产生了两个振源，盆和水发生振动也是很好理解的现象，如果两只手摩擦的频率恰好等于鱼洗的固有频率时，就发生了共振现象，进而产生大幅度的振动，显现出喷水的奇景。

二、平衡原理与马踏飞燕

地球上的物体都会受到重力的作用，任何物体要保持自身的平衡，都要协调好自身所受到的外力。在这一过程中，如何调控好重心的位置就相当关键。重心是一个重要的力学概念，它是物体各部分所受重力的等效作用点。从力学原理来讲，物体要保持平衡其所受合外力就要为0。对那些受力较为简单的物体，如只受重力和支持力的物体，我们要求它们所受的两个力等大、反向、共线即可。由此可见，重心的位置相当关键，在生活中有着非常广泛的应用。比如特技演员表演走钢丝，他们手上一般都会平握一根平衡杆，这样在行走的过程中就能实时调控自己的重心位置，让自己的重心始终位于钢丝的正上方，如此就可以让支持力和重力实现平衡，确保人体保持平衡状态。如图2所示为1969年出土于我国甘肃的“马踏飞燕”，它又被称为“铜奔马”。这架工艺品的独特之处在于它将一只展开翅膀的飞鸟作为了马的着力点，让马的重心与支撑点的连线正好垂直于飞鸟承托面，由此巧妙地实现了平衡效果。

三、热胀冷缩和撒尿娃娃

热胀冷缩是一种生活中最为常见的物理现象，其基本表现是物体在受热时发生膨胀，在温度降低时又发生收缩。这是什么原因导致的呢？我们可以用分子动理论进行解释，即组成物体的分子在做永不停息的热运动，当温度升髙时，这些运动振动幅度将增大，由此使得物体的宏观体积发生增大；当温度降低时，这些热运动的振动幅度将减小，由此则物体的宏观体积也将发生收缩。热胀冷缩在生活中有着非常普遍的应用，比如夏天路面会向上拱起来，这就是路面膨胀所引起的，因此混凝土路面每隔一定的距离都会留出一个伸缩缝，这样就为热胀冷缩预留了空间。再如，有的罐头很难打开，这是因为在工厂生产时是将食物趁热放进去的，当时气体的体积比较大，冷却之后气体的体积减小了，外面的大气压将远大于瓶内部，这样就将盖子牢牢地压在瓶口上，因此很难打开。怎么解决这一难题呢？我们可以将罐头泡在热水里，经过一段时间，让内部和外部经过充分的热传递过程，当瓶内部气体重新膨胀起来后就可以轻松将盖子打开。又如，夏天在架设电线时，如果线路绷得比较紧，那么到了冬季，电线将因为温度降低而发生收缩，进而导致线路断裂，因此夏天架设电线都会适当地松弛一些。热胀冷缩在美术工艺品制作中也有妙用，比如图3所示的撒尿娃娃，这是一种用紫砂制成的小茶具，其基本结构是一个封闭的空腔，只开有一个小孔。使用时，先将其浸泡在热水中，可以看到娃娃身上的小孔会向外不断地冒图3出气泡，当气泡逐渐消失时，再将娃娃浸泡在冷水中，开始时，撒尿娃娃处于倾斜的悬浮状态，逐渐地随着水通过小孔进入其中，它将变成竖直的悬浮状态。将娃娃从冷水中取出，然后用热水浇在娃娃身上，可以看到水从小孔中快速喷射而出，这就是我们常说的娃娃“撒尿”，而且还是吱吱的声响，水流最急时可以冲击到1．5m远的距离。上述操作无论是注水还是喷水，都充分运用了热胀冷缩的物理学原理。简单说来，撒尿娃娃就是一个带有小孔的空腔，将水注人其中是很困难的，但如果先将其浸泡于热水中，使其内部空气膨胀，将空气排出来，再将其泡在冷水中，内部空气遇冷收缩，则外部的水就会被压人其中。然后将娃娃正立放置，则水全部集中于娃娃的下半身，再用热水浇在娃娃的身上，则娃娃体内的空气再度遇热而膨胀，就将娃娃体内的水压迫出来，这也就形成了“撒尿”的现象。将物理原理运用于美术工艺品的制作，充分展示了劳动人民的勤劳与智慧，这些值得我们在欣赏这些工艺品时细加品味。

参考文献

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［5］施连震．用“撒尿娃娃”演示空气热胀冷缩现象［J］．科学大众（科学教育），2015（10）：66．

作者：李焱魏芳 单位：郑州枫杨外国语学校