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  • 1 # 沙琪瑪帝

    中國古代對共振早有了解。據《天中記》一書記載,晉初(公元3世紀)時,京城有戶人家掛的銅盤每天早晚輕輕自鳴兩次,人們十分驚恐。學者張華判斷,這是銅盤與皇宮早晚的鐘聲共鳴聽致。後來把銅盤磨薄一些(改變固有頻率),它就不再自鳴了。中國古代樂器的研製,也反映了當時人們對共振的認識。

    共振在現代生活中有著許多應用。一些不同長度的鋼片安裝在同一個支架上,可以製作轉速計。把這樣的轉速計與開動著的機器緊密接觸,機器的振動引起轉速計的輕微振動,這時固有頻率與機器轉速一致的那個鋼片發生共振,振幅最大。讀出這個鋼片的固有頻率,就知道機器的轉速。

    共振篩是利用共振現象製成的。把篩子用四根彈簧支起來,在篩架上安裝一個偏心輪,就成了共振篩。偏心輪在發動機的帶動下轉動時,適當調節偏心輪的轉速,可以使篩子受到的驅動力的頻率接近篩子的固有頻率,篩子發生共振,提高了篩選工作的效率。

    在某些情況下,共振可能造成損害。軍隊或火車過橋時,整齊的步伐或車輪對鐵軌接頭的撞擊會對橋樑產生週期性的驅動力,如果驅動力的頻率接近橋樑的固有頻率,就可能使橋樑的振幅顯著增大,致使橋樑斷裂。因此,隊伍過橋要便步走,以免產生週期性的驅動力,火車過橋要慢速,使驅動力的頻率遠小於橋樑的固有頻率。

    輪船航行時,如果所受波浪衝擊力的頻率接近輪船左右搖擺的固有頻率,輪船可能傾覆。這時應該改變航向,使波浪衝擊力的方向與輪船搖擺的方向不一致,同時要改變航速,使波浪衝擊的頻率遠離輪船搖擺的固有頻率。

    機器運轉時,零部件的運動,如活塞的運動、輪的轉動,會產生週期性的驅動力。如果驅動力的頻率接近機器本身或支援物的固有頻率,就會發生共振,使機器或支援物損壞。這時要採取措施,如調節機器的轉速,使驅動力的頻率與機器或支援物的固有頻率不一致。同樣,廠房建築物的固有頻率也不能在機器轉動的頻率範圍之內

    除了避免共振之外,有時我們還需要減振,以降低外界衝擊力對物體的破壞作用。減振的思路之一是給被保護的物體加一層減振的阻尼材料,使衝擊過程的機械能儘量多地轉化為阻尼材料的內能,減輕被保護物受到的衝擊作用。例如,用泡沫塑膠作為商品的內包裝,就能起到這種作用。

    減振的另一個思路是在物體與外界衝擊作用之間安裝彈簧,形成一個“物體一彈簧"系統。對一個週期性變化的驅動力來說,在一段較長的時間(遠大於1週期)內,驅動力的平均值是非常小的。外界衝擊力作用在一個物體一彈簧系統上時,如果這個系統的固有周期比外界衝擊力的週期大很多,彈簧不會及時地把衝擊力傳遞給物體,這種延緩的過程實際上對沖擊力起到了“平均"的作用。圖中是某汽車三級減振的示意圖,最下面是由車輪的軸和輪胎組成的第一級物體一彈簧系統,車身和底座彈簧構成第二級,乘客和座椅彈簧構成第三級。這些物體一彈簧系統的固有頻率都比較低,能對來自地面的頻率較高的振動起到很好的“過濾"作用。

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