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[随机振动] 受迫振动——共振

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发表于 2019-4-16 10:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  什么时候会发生共振现象?
  任何物体产生振动后,由于其本身的构成、大小、形状等物理特性,原先以多种频率开始的振动,渐渐会固定在某一频率上振动,这个频率叫该物体的固有频率。当人们从外界再给这个物体加上一个振动(称为驱动)时,如果驱动力的频率与该物体的固有频率正好相同,物体振动的振幅达到最大,这种现象叫共振。物体产生共振时,由于它能从外界的驱动源处取得最多的能量,往往会产生一些意想不到的结果。下面我们就一起来看看生活中共振的利用与防护吧!

  01、共振的危害及防止
  共振的危害
  190多年前,拿破仑率领法国军队横扫欧洲,不可一世。当法军铁蹄越过西班牙边境而长驱直入时,部队要行军经过昂热市一座102米长的铁链悬桥。随着军官雄壮的口号,队伍跨着整齐的步伐浩浩荡荡地开向对岸。只听轰隆一声巨响,大桥坍塌,士兵、军官们还来不及退去便纷纷坠入河水里,造成226人丧生。桥梁突然断裂,究其原因是共振造成的。因为大队士兵踏步踏的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加强,当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时,桥就断了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。鉴于成队士兵踏步踏过桥时容易造成桥的共振,所以后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过。

  唐朝开元年间,洛阳有个和尚,他的房间内挂着一口磬,常敲磬解烦。有一天,和尚没有敲磬,磬却自动响起来了。这使他大为惊奇,终于惊扰成疾。他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令,精通音律(即通晓声学理论),闻讯前来探望和尚。经过一番观察,他发现每当寺院里的钟响起来时,和尚房里的磬也跟着响了。于是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几处,从此以后就不再自鸣了。他告诉和尚,这磬的音律(即固有频率)和寺院钟的音律一致,敲钟时由于共振,磬也就响了。将磬磨去几处就是改变它的音律,这样就不会引起共鸣。和尚恍然大悟,病也随之痊愈了。

  登山运动员登山时严禁大声喊叫。因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合,就会因共振引起雪崩,其后果十分严重。

  人体是一个弹性体,各器官都有它的固有频率,当外来振动的频率与人体某器官的固有频率一致时,会引起共振,因而对那个器官的影响也最大。人体固有的振动频率经科学研究,人脑是8~12Hz,内脏器官为4~18Hz。在外来振动的不断激发下,人脑和内脏器官的振动频率与外来振动频率相近或相同,吸收外来振动的能量而共振,轻者能使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心,如果强度大,就能使人的心脏及其内脏剧烈抖动、狂跳,以致血管破裂,使人死亡。

  在日常生活中,人们常受到外界振动的影响,如车船的颠簸、机械的振动和噪音的影响等,当这些恰好在人体固有的振动频率范围内时,对人的影响就比较大,使你晕车、晕船,甚至头痛、呕吐。因此,跟振动源十分接近的操作人员,如拖拉机驾驶员、电锯等操作工,在工作时应尽量避免这些振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。为了保障工人的安全与健康,有关部门已做出相应规定,要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20Hz。

  共振的危害就在于,它并不需要强大的破坏力,而是能自动进行能量的积累,“千里之堤,溃于蚁穴”,最终的结果是可怕的。要避免共振的灾害作用,就必须尽量增大振动系统和可能的策动力频率之间的差距,使受迫振动被限制在极小振幅的范围内。


                               
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02、共振的利用


  共振的好处
  小时候喜欢玩“荡秋千”,有的人掌握了荡秋千的技巧,仅靠自己用力便能将秋千越荡越高。当玩者的驱动力频率与秋千自由振动的固有频率相同时,秋千的摆角会越来越大,这是共振在荡秋千上的应用。

  在建筑工地上,我们经常可以看到.建筑工人在浇灌混凝土的墙壁或地板时,为了提高质量,总是一边灌混凝土,一边用电振泵进行振动,使混凝土之间因振动的作用而变得更紧密、更结实。像粉碎机、测振仪、电振泵等,这些都是利用共振原理工作的。

  当今高度的物质文明,使家用电器进入了千家万户,微波炉也开始在许多家庭使用,为什么微波炉在加热食品时食品内外能同时升温?原来微波炉中的磁控管产生915MHz或2450MHz的微波,即一种超高频率交变电磁场,它经波导传送出去,再经风扇搅拌器把它反射到炉腔各处,食物是吸收微波的一种介质,而且食物分子的振动频率跟微波的电磁场频率相同或相近,大量分子就在食物中原来位置的附近剧烈振动而摩擦出大量的热,使食物内外介质的温度同时升高,食物很快被烤熟。这是共振在家用电器中的应用。

  2000年,中国深圳博爱医院率先开展了一种全新的减肥方式——体外超声共振吸脂法,并获得了巨大的成功。体外超声共振吸脂术是指采用共振原理,在电脑模糊程序控制下,产生和脂肪细胞固有频率相同的共振波,这种共振波选择性地破碎脂肪细胞,使其呈液态,而不与皮肤、血管及神经组织发生共振,因而不损伤这些组织。与其他吸脂术相比,共振吸脂在有效保护神经及血管的同时,利用负压吸除皮下已经液化的脂肪细胞,安全、快捷和有效的改善体型,达到健美的目的。

  炎热的午间,蝉儿发出的“知了、知了”声;宁静的夜晚,蟋蟀发出的“叽一嘶”声:还有不知疲倦的大肚子蝈蝈的鸣叫声,尽管这些昆虫的声调大不相同,但其中的共同之处都是借助了共振的原理,靠摩擦身体的某一部位与空气产生共鸣而发声。

  共振还能充当地球生物的保护神。我们知道,紫外线是太阳发出的一种射线,如果它们大举入侵地球,人类及各种生物势必遭受极大的危害,过量的紫外线会使生物的机能遭到严重的破坏。不过,不用担心,我们有大气层中的臭氧层,是它们借助于共振的威力,阻止了紫外线的长驱直入。当紫外线经过大气层时,臭氧层的振动频率恰恰能与紫外线产生共振,而吸收了大部分的紫外线。所以,共振能使大气中的臭氧层变得如防晒油一样,保证我们不至于被射线伤害。

  另外,共振还能使地球维持在适当的温度,给地球生命创造出一个冷热适宜的生长环境。因为地球发出的红外线,又恰好能和二氧化碳产生共振,然后被“挽留”在大气层中,使大气层保持一定的温度,让万物在温暖和煦的环境中孕育成长。

  俗话说,万物生长靠太阳,其实也可以这么说:万物生长靠共振。因为我们所熟知的植物的光合作用,是叶绿素与某些可见光的共振,吸收阳光后,从而产生氧气与养分。没有共振,植物便不能生长,人类和许多动物也就失去了食物的来源。所以说,没有共振。地球上的生命便不能长期生存。

  总之,在需要利用共振时,应使驱动力的频率接近或等于振动物体的固有频率,在需要防止共振时,应使驱动力的频率跟振动物体的固有频率不同,而且相差越大越好。

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