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鸣沙山:探讨沙丘的发声原理
时间:2015-09-17 15:52:09来源:Open Access Library
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提要:早在1295年,马可·波罗就表达了对鸣沙山的惊叹,之后又有许多的探险家感到困惑,鸣沙山也在艺术创作中占据了一席之地。其实类似的沙丘还有许多,关于它们发声的原因,学者们仍只窥探一二。
鸣沙山:探讨沙丘的发声原理

沙漠之魂让人惊叹,觉得不可思议。即使在白天,有时也可以听到它们的声音,像武器冲突的声音,像隆隆的鼓声,或不同乐器的声音。出于这个原因,总是有大批的旅行者,紧挨着彼此行走在沙漠里。

——马可·波罗(1295年)

13世纪,威尼斯探险家马可·波罗在穿越戈壁沙漠的旅程中,听到了这些奇怪的声音,将其归于邪灵和妖精的声音。许多探险家包括马可·波罗、C.M. Doughty、风沙物理学创始人R.A. Bagnold、莫卧儿皇帝巴布尔、印度总督寇松勋爵等人,都对沙漠中澎湃的声音感到困惑。几个世纪以来,鸣沙山的传说和带有神秘感的美,在许多诗歌、艺术、沙漠传说和纪录片中占据特殊的地位。

沙丘为什么会唱歌?这是一个让人特别好奇,但还不能完全解释的自然现象。我们知道有一些沙漠中的沙丘有个特殊的能力,可以持久地发出频率较低(75-105Hz)的巨响,有时候甚至可以传到10公里开外。

19世纪末,科学家开始解开沙子产生声音的神秘面纱。科学调查表明,这种沙丘持续的低频声音,类似一种乐器,是由于特定排序的干燥沙粒在重力作用下的同步运动。物理学家进行深入调查,在颗粒的流动力学基础上,为鸣沙山描绘出了一幅物理图像。印度Handique女子学院的Kishore Dutta学者向我们描述了根据近期物理实验,鸣沙山持续发出声音的原理。文章发表在《OALib Journal》(开放图书馆期刊)上。(具体应用的物理公式及分析可以查看原文

沙子是一种具有惊人物理性状的颗粒物质,在重力作用下会自然下落,像有粘度的流体一样,掉落的沙粒会堆起来有刚性,这是固体的一个特征。风中的沙粒在空气中暂时性的悬浮,像一种气体,可以移动到很远的地方。

奇怪的沙滩存在于很多地方,如日本丹后市的琴引浜(Kotobikihama)鸣沙,英国的埃格岛(the Isle of Eigg),加拿大爱德华王子岛的Basin Head,还有美国夏威夷的Barking sands of Kaua’i,当行走在上面时,会发出高频率(~1 KHz)的声音。沙子在脚下迅速流走,发出高频短暂的吱吱声或是口哨之类的声音。根据沙粒的特点,学者发现并不是所有的沙滩都会发出像音乐般的声音,鸣沙沙丘通常是沙粒干燥的、圆形的、没有灰尘和污染,沙粒粒度分布很窄。

许多沙丘唱歌是通过释放出持续、低频谐波,特征是占主导的是可听见的频率(70-105Hz)和更高频谐波。这种声音听起来像鼓声,可以持续好几分钟,远的话可以在10公里听到。鸣沙沙丘多见于南北半球亚热带沙漠气候的纬度地区(47˚N19˚N19˚S29˚S)和中纬度地区。尽管星形沙丘是最常见的鸣沙沙丘,在新月形沙丘、长线形沙丘、延展性沙粒漂移的山上也可以发现鸣沙沙丘。

鸣沙沙丘在风吹过的时候鸣响,但科学家并不认同谐波源自风,而是沙粒在大幅度崩塌事件或天然山崩时的移动发出的声音。在这一领域的先驱物理学家之一,Bruno Andreotti在大西洋方向涵盖10,000多座沙丘的撒哈拉(摩洛哥)进行了一系列实验,观察到没有湿度的情况下,所有沙丘都发出了声音。

在表面干燥时,有三个巨型沙丘每年有350天都可以发出声音。大部分小沙丘在晴天会发出几十分钟的声音。风侵蚀了沙丘背部,沙子积累在光滑的前部,当坡度过大时,自发的山崩产生,沿着沙丘滑落,产生声音。在摩洛哥、智利、中国和阿曼的实地观测中,学者还观测到75-105Hz的频率范围取决于沙粒大小(160-340μm)。

原文链接:http://www.oalib.com/articles/3148663

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鸣沙山 沙丘 发声原理 数理科学 科研基金 智库

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作者系刘静竹

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