為什麼共振能釋放出巨大的能量?

螢火星


共振是在外界載荷的激勵下,當激勵頻率與結構固有頻率一致時,發生振幅變大的現象。共振本身並不是一個釋放能量的過程,相反,共振實際上是結構在外載作用下積聚能量的過程。當積聚的能量超過了結構能承受的極限時,就會發生破壞,此時才是能量的釋放。結構破壞所釋放的能量也沒有放大,依然遵循著能量守恆定律。


1、共振的故事

說到共振,相信很多小朋友都聽過一個小和尚的故事。有個小和尚有一個樂器鈸,掛在房間內。晚上的時候,這個鈸會自己響起來,嚇壞了小和尚。後來,老和尚發現,只要寺裡的大鐘敲起來,這個小鈸就會自己響。老和尚畢竟經驗豐富,拿起銼刀,在鈸的表面挫了兩刀。從此以後,這個鈸再也沒有響過。

2、共振的原理

上面這個小故事中,鈸的響動是由於受到大鐘的影響。大鐘被擊打後發出聲波,聲波傳遞到了小鈸上,於是小鈸開始振動起來。當傳過來的聲波頻率與小鈸的振動頻率接近時,振動的幅度就變的很大了,從而小鈸開始發出了聲音。這裡,大鐘傳遞過來的聲波就是一種外載激勵。外載不僅僅是聲波,其他一切對物體的作用都可以是外載,這種作用通常以力的形式表現出來。這是共振的首要因素,即存在外載的激勵。

共振另一個因素就是結構的固有頻率。固有頻率是結構的一種屬性,它與材料、結構形狀、約束形式有關。力學上,固有頻率有嚴格的推導過程,從n個自由度的運動微分方程開始,經過數學處理後得到頻率方程。

這是一個跟ω有關的多項式,根據這個方程,可以得到n個ω,即n個固有頻率。從這個固有頻率的推導過程來講,固有頻率是結構發生簡諧位移的時候的一個運動頻率。得到固有頻率後,就可以得到具體的簡諧位移表達式,即得到了結構的陣型。

對於複雜結構來講,想要純粹通過求解運動微分方程得到固有頻率是不現實的。可以利用有限元的方法來計算。如上圖,利用有限元軟件,得到結構的固有頻率和模態振型。

當外載的激勵頻率與結構自身的固有頻率接近時,結構的振動就會越來越大,如上圖所示。所以,共振頻率與固有頻率實際上是兩個概念,兩者數值上接近,但是不一定相等。

3、共振的危害

結構的共振是工程中極力避免的情況,因為它會造成結構振動幅度越來越大,直至整個結構發生破壞。歷史上最著名的共振事件當屬美國的塔科馬橋共振坍塌事件了。1940年建成的斜拉索橋,在中等風速的作用下,恰好風的作用頻率與橋面的固有頻率接近,於是發生事故。當時,剛剛好,有一位記者在現場,拍下了這段珍貴的畫面。

事後,有學者對橋樑進行了分析,發現19m/s的風速吹過橋面是,產生的渦流(如下圖)頻率與橋面的固有頻率接近了。共振就是風毀橋樑的罪魁禍首!


4、共振的能量

知道了共振的原理,相信也就知道了共振的能量來自何處。實際上,結構受到外載的激勵發生振動,這個過程中,外界始終在向結構輸入能量,這部分能量一部分通過變形轉化為應變能,另一部分通過振動的形式耗散掉。結構能夠存儲的應變能是有限的,當結構無法再存儲的時候,就是結構發生破壞的時候。所以,發生共振時,結構振動幅度越來越大,變形越來越大,存儲的變形能也越來越大,終於承受不住,發生破壞。


所以,共振過程是積累能量的過程,積累的能量來自於外界的輸入。當破壞發生的時候,結構存儲的能量通過斷裂的形式釋放出來。這個釋放的能量並不巨大,是跟材料的斷裂能和斷裂的面積有關。比如金屬,其斷裂能大概在60KJ/m2左右。


5、總結

一句話,共振破壞時釋放的能量來自於外界的輸入,其能量值也稱不上巨大,主要還是跟結構和材料有關。


力學Nerd王小胖


想起上小學的時候,途徑一個水坑,平時水就不深,但面積不算小。冬天,水面結了冰,已經能承受幾個小學生的體重,幾個同學都從冰面上通過,最後一個同學走到坑中央就不往前走了,站在冰面上一上一下的跳起來,結果,整個冰面都上下振動起來。

看他越跳越得意,慢慢地就與冰面的振動節奏一致起來,也眼看著冰面振動幅度在增大。不過,沒得意多大會,突然,整個冰面全部破裂開來,同學一下掉在水中。

現在想起來,冰面的本來承受能力是很強的,我們幾個同學一起在上面走過都沒問題。最後一個同學之所以能將冰面壓塌,其實,就是因為冰面與人的振動頻率相同,人的跳動引起了冰面的共振。

因為共振可以傳遞能量,如果一個物體不停地振動,就會不斷地將能量傳遞給另一個物體,另一個物體獲得的能量會越來越多,振動就會越來越劇烈,以致振動幅度大到超過自身限度,就會將自己振毀。人在冰面上振動,當發生共振時,人不斷跳動,就不斷將能量傳遞給冰面,冰面積蓄的能量越來越大,振動幅度越來越大,達到一定程度就會破裂。

大家可能在電視上看到,有歌唱演員唱歌能振破玻璃酒杯,其實,也是使酒杯與人的聲帶共振,唱歌過程中,不斷將能量傳遞給酒杯,最終使酒杯破裂。


甜甜向上314159


“共振”這個詞即使沒有學過理科應該也聽過,對我們來說,可謂是耳熟能詳。最初接觸到共振,是在學習高中物理的時候。

教科書上給出的共振定義是:一個物理系統在特定的頻率下,比其他頻率以更大幅度做振動的情形。這個有特定的頻率就稱之為共振頻率。在共振頻率下,一個很小的週期振動就能產生很大的振幅(振幅:振動的物理量可能達到的最大值)。而在系統中都儲存有動能,當阻力很小時,共振的頻率約等於系統的固有頻率。當外力作用的頻率與系統的固有頻率接近或者達到一致時,其振盪幅度就會急劇增加。

在物理學的分支學科中,共振的叫法還有很多種。在聲學中,共振也稱為了“共鳴”;在電學中,振盪電路中的共振稱為“諧振”。

共振作為普遍存在的自然現象,在物理學的分支學科和交叉學科中都可能會應用到。我們最為熟悉的利用共振原理的例子就是地震儀,東漢張衡發明的地動儀也是這個原理,用來監測和記錄地震,也是研究地球物理的基本手段。此外,我們還利用共振製造超聲工具,利用分子、原子共振製造如日光燈、激光、電子錶等。我們最為直觀的能感受到共振現象,就是我們的“聽”,我們能聽到聲音,就是因為我們的聽覺器官是一套結構精妙的共振系統。還有就會在電磁學上,電磁波的產生、接收、放大和分析處理都要靠共振來幫助完成。依靠共振可以辨認和識別來自宇宙的電磁波,用於天體研究。

共振實驗

但是共振雖然有好處,但是在一些情況下,我們要極力避免共振發生。下面有幾個例子說明了共振的危害。

1. 在19世紀初,一隊拿破崙統治時期的士兵在指揮官的口令下,踏著整齊劃一的步伐,通過法國昂熱市的一座大橋。當快走到橋中間時,橋樑突然發生強烈的顫動並且最終斷裂坍塌,造成許多官兵和市民落入水中喪生。當時還以為是有人搞破壞,後來經調查,造成這次慘絕人寰的悲劇的罪魁禍首就是共振。因為大隊士兵齊步走時,產生的一種頻率正好與大橋的固有頻率近乎一致,使橋的振動加強,當它的振幅達到最大限度直至超過橋樑的抗壓力時,橋就發生斷裂了。類似的事件還發生在俄國和美國等地。此後許多國家的軍隊都有這麼一條規定:大隊人馬過橋要改齊走為便步走。

2. 機床運轉時,運動部分有時候總會有某種不對稱性,從而對機床的其他部件施加週期性作用力引起這些部件的受迫振動,當這種作用力的頻率與機床的固有頻率接近或相等時,會發生共振,從而影響機床的加工精度,加大機械鋼鐵的疲勞破壞,從而使機械受損。

3.次聲波我們都聽說過,它經常出現在我們生活中。自然界的太陽磁暴、海浪咆哮、雷鳴電閃、氣壓突變、火山爆發;軍事上的原子彈、氫彈爆炸試驗,火箭發射、飛機飛行,還有鼓風機、引風機、壓氣機、真空泵、柴油機、電風扇、車輛發動機等工作,都可以產生次聲波。次聲波的聲波頻率很低,一般均在20赫茲以下,波長卻很長,不易衰弱。一些國家利用次聲波的性質進行研製次聲波武器的研製,已研製出次聲波槍和次聲波炸彈。這些武器都是利用頻率為16-17赫茲的次聲波,與人體內的某些器官發生共振,使受振者的器官發生變形、位移或出血,從而達到殺傷敵方的目的。現代科學研究已經證明,大量發射的頻率為16-17赫茲的次聲波會引起人體無法忍受的顫抖,從而產生視覺障礙、定向力障礙、噁心等症狀,甚至還會出現可導致死亡的內臟損壞或破裂。

4.在一些電視和電影中,我們經常會看到在雪山發生雪崩。這就是外來的聲音引起積雪的共振所導致的,所以一般都要求我們在積雪很厚的地方不要發出很大的聲音,以避免受到突如其來的雪崩,一般遇到了生還幾率都為零。

共振使玻璃杯碎裂

所以,共振這個現象既有利又有弊。我們要合理的利用共振給我們帶來的好處,也要盡力規避它所帶來的危害。


知趣瞭然


共振是把能量疊加,就比如一個炸彈威力不行,就兩個炸彈一起炸。

從物理方面講,兩物體的固有頻率一樣,就會讓兩個物體的振動波的波峰和波谷分別疊加,變成更強烈的振動

用數學打比方,波峰與波峰疊加就好比,1+1這樣子。


dota不乖


共振有頻率,高更高,低更低,這也是軍人過橋時不能齊步走,怕共振


大海142581829


不是共振能釋放出巨大的能量,而是通過共振過程把能釋一次又一次聚集在一起,(相當於在收集能量)形成強大的能量。停止共振後,這些能量也會慢慢衰減。

當然,一旦在共振過程中損壞物體,這個能量當然通過集累是非常巨大的!


小洵仁可


共振會放大隻會將物體震爛。所以是破壞性能量用不了,能避則避。


真能成磁動力


盪鞦韆越蕩越高,每一次都在儲存動能能,勢能越大釋放的能量就越大,盪鞦韆就是我們看得見的共振。所以共振能釋放出來巨大的能量。


骨頭無畏牛刀


共振能量是正反饋積累,所以能量巨大。


分享到:


相關文章: