为什么共振会有这么大的杀伤力? - 知乎

admin 17 2024-04-30 03:17:47

为什么共振会有这么大的杀伤力? - 知乎

  振动会传递能量,每一个物质都有它的固有频率,当外界振动的频率达到固有频率时,能量的传递效率是最大的

  这个首先要从一个真实事件说起,1940年位于美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥,在通车的四个月后,竟然戏剧性的被微风给摧毁,被摧毁时桥面严重扭曲震动。

  当时的风速并不是很高,但是桥却在风和桥之间引发的共振中坍塌,可见共振的威力是不容小觑的。

  共振的原理其实非常简单,首先我们要了解几个概念---自然频率和波

  自然频率是一个物体或者一个系统在没有外力或者阻尼情况下,会倾向于某一个频率的震荡,这个频率就叫自然频率。

  自然频率的数值会受到物体的材料、形状、分布等影响,但并不是说同样材质的物体,他们的自然频率就一样。比如同样材质形状的杯子,小杯子一般来说会比大杯子的自然频率要高。

  波是一种扰动或者震动的传递,具有几个很明显的特征,这里只需要提到两个,那就是周期性和频率。

  周期是指完成一次震动或者运动所需的时间,也是重复震动中,单一一次震动位移回到原点所需要的时间。

  而频率是指在一定时间单位内,会发生多少次周期性的运动。

  举一个栗子,玻璃杯的共振实验是最为广泛的一种,把玻璃杯暴露在某一个频率的声波下一小段时间,玻璃会发生共振迅速破裂。

  通过高速摄影机,可以明显的看到玻璃杯在破裂之前一直剧烈并有规律的发生形变,正常速度观看的话,玻璃杯是在共振的剧烈震动中粉碎的。

  造成这种现象的原因是因为击中玻璃杯的声音的频率刚好和玻璃杯的自然频率重合,迫使玻璃杯开始剧烈震动,最后因为震动位移过大导致玻璃杯结构无法承受而破裂。

  要更加通俗易懂的理解这个现象我们可以想象一个人在荡秋千,后面有一个人在推,秋千荡一个来回相当于一个周期,如果推的人想让秋千荡的更高的话,只需要在秋千一个来回达到最高点时再给一个推力即可,即使这个推力很小,经过几个周期的累积,一样可以让秋千荡的很剧烈。

  玻璃杯共振碎裂也是如此,声波在一定的频率下撞击玻璃杯,当这个频率和玻璃杯的自然频率一致时,就会发生共振,也就是之前说的“秋千效应”,声波以共振频率每一次敲击玻璃杯的时机都恰到好处,导致玻璃杯震动的能量在短时间内快速堆积,产生了越来越大的振幅,最后因为玻璃杯无法承受共振导致的巨大形变而破碎。

  这就是共振的杀伤力,基本在任何物体上都适用,所以许多设计都需要考量并在最大程度上的避免发生共振。

  但世间万物总是有两面性,共振在生活中的利用也非常多,比如各种乐器,收音机的调谐,甚至生活必备的微波炉到医院必备的MRI核磁共振仪,都利用到了共振的原理。

  很简单的原理,就像荡秋千一样,你往前荡的时候有一个力给你往前拉,你往后的时候它往后,这样振动的振幅就越来越大,桥就塌了

  声波的共振使得对某一频率声波的强烈吸收

  光波的共振也会对某一频率电磁波的强烈吸收。

  共振就是外界的激励频率和物体的固有频率相等的时候,物体会对该激励频率引起强烈的吸收。

  如果你激励频率和固有频率不等,那固体虽然会随着激励频率的频率振动,但是达不到最大增幅,会固定某一增幅。

  反之,你激励频率和固有频率相等,那物体本身的振动增幅会越来越大。

  这个把物体的振动分解为自由响应运动和强制响应运动。

  强制响应就是强行给的响应,是由激励决定的。

  自由响应就是给你一个初始状态,它在最自然(不受外力)下会怎么运动。

  如果你的激励运动状态和物体自然运动状态吻合,那么他们之间就不会出现相互抵消的局面。

  也就是你的激励时时刻刻都在做正功,当然可怕啦。

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