共振现象的危害

共振现象的危害


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2016-11-09 编辑:xuzhiping 浏览次数: 8732

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摘要: 1906年,俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队,步伐整齐、不可一世地通过爱纪华特大桥。这座大桥十分坚固,纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官扬扬得意的时候,突然间桥身剧烈振动起来,然后伴随着一声巨大的断裂声,大桥崩塌了。顿时,军官、士兵、辎重、马匹...

1906年,俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队,步伐整齐、不可一世地通过爱纪华特大桥。这座大桥十分坚固,纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官扬扬得意的时候,突然间桥身剧烈振动起来,然后伴随着一声巨大的断裂声,大桥崩塌了。顿时,军官、士兵、辎重、马匹纷纷落水,马噺人号, 狼狈不堪。

无独有偶,1831年,一支凯旋的骑兵队雄赳赳、气昂昂地通过英国曼彻斯特附近的一座吊桥。洪亮而有节奏的“嗒、嗒、 嗒”的马蹄声,充分展示了他们的雄风。然而,不幸的事情发生了,随着一声巨响,大桥莫名其妙地倒塌了,人马纷纷坠入河中,死伤惨重。

以上两宗事件之后,人们对事故的原因进行了调查,然而,既没有敌人偷袭他们,也不是桥的质量不好。那么,究竟是什么原因造成了上述悲剧的发生呢?最后,人们通过研究发现,肇事者就是受害者自己!这些事故是“共振”这一物理现象导致的,引起共振的根本原因是齐步行进。

什么是共振?打个粗浅的比方来说:一个人坐在秋千上不动,另一个人一下一下地推动秋千,假设每当秋千荡去的时候就推一下,如此合拍地推下去,秋千就会越荡越高。用严格的物理语言来说,振动体在周期性变化的外力作用下,当外力的频率与振动体固有频率很接近或者相等时,振动的幅度就急剧增大,这种现象叫做共振。上面所提到的那些军人的步伐非常整齐,而其频率恰好接近于所通过的大桥作自由振动的固有频率,因而激起了桥梁的共振,造成了大事故。为了接受这些血的教训,后来世界各地都先后规定,凡是大队人马过桥时,必须便步走,极力避免这种破坏性的共振现象重演。

轮船航行的时候,也会受到周期性的波浪的冲击而左右摇摆。如果波浪冲击的频率恰巧跟轮船摇摆的固有频率相同,就会发生共振,导致船体剧烈摆动,甚至可能使轮船倾覆。为避免这种事故的发生,这时可以改变轮船的航向和速率,使波浪冲击的频率远离轮船的固有频率。机器在工作中由于零部件的运动(如活塞的运动和轴的转动)也会产生周期性的驱动力。如果驱动力的频率接近机器本身或支持物的固有频率,就会发生共振,使机器或支持物受到损坏。为了避免这种情况的发生,要采取特殊的措施,如控制机器的转速,使驱动力不与机器的固有频率一致。

在我国古代典籍中,有大量关于共振现象的记述,并把这种现象解释为“同声相应”或“声比则应”。这个解释与现代的科学定义几乎完全相同。因为凡是共振的两个物体,它们的固有频率或者相同,或者成简单的整数比,如1/1,1/2, 2/3。

最早记述共振现象的是《庄子》一书,此书在描述瑟的各弦间发生的共振现象时写道:“为之调瑟,废于一堂,废于一室。 鼓宫宫动,鼓角角动。音律同矣。夫改调一弦,于五音无当也,鼓之,二十五弦皆动。”这里说的瑟有25根弦。宫、商、角、 徵、羽是古代人使用的乐音音名,相当于现在的do、re、mi、sol、la。当在高堂明室中放上一具瑟,人们发现,弹动某一弦的宫音,别的宫音弦也动;弹动某一弦的角音,别的角音弦也动。这是由于它们的音相同。如果改调一弦,使它发出的音和五音中的任何一声都不相当;再弹这根弦时,瑟上的25根弦都会动。因为这条弦虽然弹不出一个准确的乐音,但它的许多泛音中总有那么几个音和瑟的25弦的音相当或成简单的比例,这就是它能使瑟的25弦都动(共振)的道理。

共振这一物理现象并不是总给人类带来危害,在很多情况下,人们可以巧妙地利用它来为人类服务。例如,人们把许多不同长度的钢片装在同一个支架上,制成测量发动机转速的转速计。若使转速计与开动着的机器紧密接触,发动机的转动就引起转速计轻微振动。这时,转速计中只有固有频率与发动机的转数一致的那个钢片,才会有显著的振幅。从支架上的刻度线上读出这条钢片的固有频率,就可以知道机器每分钟转动的次数了。共振筛也是利用共振规律的机械。把筛子用四根弹簧支撑起来,并在筛架上安装一个偏心轮,偏心轮轴上另装有皮带轮,与动力相连。偏心轮在皮带轮的带动下发生转动时,筛子就受到一个周期性的驱动力,做受迫振动。适当调整偏心轮的转速,便驱动力的频率接近共振筛的固有频率,筛子就发生共振,达到较大振幅, 这样能提高筛除杂物的效率。

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