Здесь есть всё! КАК ЗАДЕРЖАТЬ ВИБРАЦИЮ И УДАРЫ Экономист: «Амортизация- это погашение долга, а также постепенное
изнашивание основных фондов, перенесение их стоимости на вырабатываемую
продукцию». Прежде всего возникает вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию? Известно, что вибрация может исправно работать на человека. Различные грохоты, трамбовки, пневматические инструменты, сепараторы, уплотнители бетона — во всех этих устройствах используется колебательное движение. Но вот сам человек сталкивается с теми механизмами, которые он породил.
И что же? Вибрационная болезнь стоит на одном из первых мест в длинном
списке видов производственного травматизма. Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для рыбопоисковых
приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов, недаром
сети для ловли тунца располагаются на буксирном тросе на расстоянии
многих десятков километров от рыболовного судна. Итак, бороться с вибрацией нужно. Раньше других строительных элементов
в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на
полезную роль массы для защиты от ударов и сотрясений обратили внимание…
цирковые актеры. В стародавние времена в малых и больших цирках
ведущий программу, указывая на мускулистого атлета с молотом в руках,
патетически провозглашал что-нибудь вроде следующего: «Сейчас
знаменитый имярек, с силой которого не сравнится ни один молотобоец
в мире, будет наносить удары в грудь своему партнеру, лежащему на
арене. Едва ли разгоряченная зрелищем публика отдавала себе в этот момент отчет, что наковальня не только не отягчает страданий атлета, как это старался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему жизнь. Главное, нужно было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент удара. Это небольшое динамическое перемещение достойно того, чтобы сказать
о нем чуть больше. Ведь если бы не было его, а объект — в данном
случае костяк груди человека — был весьма жестким, то не проявились
бы инерционные свойства массы наковальни, и практически вся сила
удара передалась бы этому лежащему объекту. Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста, позволяет ему выдержать любой удар молота. Разложение любого ударного импульса в интеграл Фурье указывает на
наличие весьма большого количества частотных составляющих силы,
расположенных сколь угодно близко друг к другу. Ну к чему, кажется, «тянуть резину»? Каждому ребенку ясно, что если подложить эту самую резину или пружинку — все будет в порядке, вибрация исчезнет на всех частотах. Но… механизм действия любого упругого элемента не столь уж прост, как может казаться. Начать с того, что пружина передает следующему за ней объекту или конструкции всю колебательную силу, хотя, правда, амплитуда колебаний этой конструкции будет зависеть от соотношения ее сопротивления и жесткости пружины. Сочетание массы и упругости — это уже лучше, чем одна пружина. Но
и тут, как говорил роллановский Кола Брюньон (правда, совсем по
другому поводу), взяв зверя, получаешь и рога. А теперь источником возмущающей силы является механизм
с неуравновешенным ротором. Масса, поставленная под механизм на
сравнительно жесткое основание, как это ни странно, почти не уменьшает
передачу ему колебательной силы. Теория виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими, показывает, что виброизолирующий эффект системы проявляется лишь начиная с частоты, примерно в полтора раза превышающей резонансную. Масса, пружина, виброизоляция… Какая же это акустика, возможно,
усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической
механики? Прежде всего, не будем создавать какой-то искусственный
водораздел между механикой и акустикой. При жестком основании (фундаменте) отдельно взятые масса и упругость передают основанию всю колебательную силу вне зависимости от ее частоты. Установка массы на упругий элемент позволяет существенно ослабить передачу колебательной силы фундаменту (кроме узкой области резонанса на низких частотах, где колебания могут усилиться). Шесть резонансных частот… Частокол их может занимать на частотной
шкале опасный промежуток в несколько десятков герц. Исследуя возможность
предельного сужения этого промежутка, автор пришел к выводу, что
при наклонах амортизаторов под некоторыми углами можно не только
ликвидировать связь колебаний в различных степенях свободы (это
было уже ранее показано авиастроителями), но, что самое главное,
свести резонансные частоты в весьма узкий диапазон и значительно
уменьшить тем самым опасность как колебаний механизма, так и усиленной
вибропередачи фундаменту. — А чем, кроме формул, вы можете это доказать? Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях «механизма», и, убедившись в правильности утверждений, подписал статью в печать. Наклонная амортизация стала применяться на судах. Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных механизмов
на низких частотах- это лишь один, в общем, достаточно узкий аспект
проблемы виброизоляции. Магистральное направление- изучение вибропередачи
на средних и высоких звуковых частотах, где процесс принимает волновой
характер. Были исследованы особенности прохождения колебаний через
сложные структуры, содержащие до семи и более элементов (механизм,
несколько каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки,
фундамент, конструкция за ним). Выдающийся немецкий акустик Л. Кремер, о котором мы уже говорили,
показал разницу в виброизоляции упругими прокладками продольных
и изгибных волн. Автор перечитал написанное, и ему вдруг подумалось: а не покажутся ли некоторым читателям, особенно молодым, слишком уж «будничными» вопросы вибрации? Ведь нет здесь лучей лазеров, прожигающих на расстоянии стальные листы, миллионноградусных плазменных шнуров, бьющихся в чудовищных магнитных полях. Читатель должен поверить, однако, что радость от обнаружения нового явления или закономерности, игра ума при этом одинаковы, независимо от того, участвуют ли здесь тысячи киловатт мощности, миллионы эрстед, атмосфер или только колебательные движения с амплитудами в доли микрона, сопровождается ли это явление броскими внешними аксессуарами или нет. Вернемся, однако, к предмету нашего повествования. При создании
массовых амортизаторов для машин встал вопрос о виброизолирующем
материале. Еще в 40-е годы в разных странах в качестве амортизационных
материалов рекомендовались пробка, фетр и резина. Тут следует учесть одно интересное свойство резины. Дело в том,
что она практически… несжимаема, во всяком случае значительно
менее сжимаема, чем сталь. Что это — мистификация или, быть может,
невежественная оговорка? Ни то, ни другое. Часто отождествляют два
понятия: модуль сжатия и сжимаемость. Модуль сжатия (модуль Юнга)
у резиновых стержней, действительно, на несколько порядков меньше,
чем у стали. А вот сжимаемость, характеризующаяся уменьшением объема
при сжатии, у резины (разумеется, мы говорим о сплошной резине,
без внутренних пор) ничтожна, то есть ее деформация происходит не
за счет изменения объема, а лишь за счет изменения формы. Боковые
поверхности резинового виброизолирующего элемента при колебаниях,
как говорят, «выпучиваются». Если же эти поверхности закрыты
металлической арматурой, возможность боковых смещений исключается,
и жесткость прокладки увеличивается в десять и более раз. Амортизаторы сварные — так в резинотехническом производстве
именуют изделия, в которых резиновый массив присоединен к металлической
крепежной арматуре в процессе вулканизации, происходящей при достаточно
высокой температуре. Уместно вспомнить теперь о явлениях отражения колебаний на границах
сред или конструкций. Главное условие для такого отражения — скачок
механического или акустического сопротивления, независимо от того,
в какую сторону — уменьшения или увеличения. Виброизолирующие прокладки
и амортизаторы являют собой пример отражающей конструкции, действующей
вследствие резкого уменьшения сопротивления в месте перехода от
металлического вибропровода к резине или иному весьма податливому
материалу. Однако
при использовании подобных виброзадерживающих масс не удается добиться
такого абсолютного скачка сопротивления, а следовательно, и акустического
эффекта, как с помощью амортизаторов. Действие местных виброзадерживающих
масс и различные аспекты их применения были подвергнуты обстоятельному
анализу Л. В некоторых случаях скачок сопротивления можно получить, введя линии и цепочки местных упругоинерционных систем — антивибраторов. Максимумы виброизолирующего эффекта этих резонансных систем, как ни странно, оказались не на частоте резонанса, а по обе стороны от нее. В данном случае резонансная система вела себя как более или менее широкополосное виброзадерживающее средство. Результаты теории и эксперимента сходились, а вот физический смысл явления оставался неясным. …Конференции круглого стола бывают не только у дипломатов, но
и на собраниях ученых. В 1971 году на такой конференции, входившей
в программу VII Международного конгресса по акустике в Будапеште,
автор этой книги делал доклад о виброизолирующем (и вибропоглощающем)
эффекте антивибраторов на пластинах. В перерыве к членам советской
делегации, подошел высокий полнеющий брюнет и лаконично представился:
Манфред Хекль; имя этого человека, выполнившего много интереснейших
работ, известно каждому акустику. Встречи с иностранными коллегами — это всегда сильнейший психологический штурм. Мозг предельно напряжен, нельзя ударить лицом в грязь. И в этот момент внезапно пришло понимание, почему резонансные виброизолирующие системы на пластинах являются широкополосными… «Целина» в области виброизоляции постепенно исчезает.
Значительные эффекты в борьбе с вибрацией получать все труднее,
нужны новые, более сложные системы и приемы. Советские ученые М.
Д. Генкин, Ц. П. Коузов, В. С. Иванов, В. Т. Ляпунов, А. В. Римский-Корсаков,
С. А. Рыбак, Б. Д. Тартаковский и их сотрудники в последние годы
анализируют виброзадерживающие и фильтрационные свойства пространственных
систем из расположенных определенным образом элементов массы и упругости. В борьбе с вибрацией строительные акустики и строительные механики
целенаправленно используют все «три кита», на которых
покоятся эти науки: массу, упругость и трение.
Предисловие |
Применив же к колебательному
движению второй закон Ньютона, нетрудно убедиться, что сопротивление
массы перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно, виброзадерживающий эффект массы будет особенно проявляться по отношению
к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект
может быть недостаточным.
При низких частотах
возникает резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с
тем, какими они были, когда пружина отсутствовала.
Ньютон гордился, что он
перевел акустику из области музыки, где она давно преуспевала, в
лоно механики. Колебательные явления в твердых телах отличаются
от колебаний в газах и жидкостях лишь многообразием типов упругих
волн, не более. И в английском, и в немецком языке для колебаний
в твердых телах существует термин, который можно перевести как «структурный,
телесный звук» и который прямо указывает, что динамика и акустика
твердых тел различаются, по существу, лишь названиями.
Удалось показать, что на некоторых
частотах, при наличии интерференционных явлений в механизме или
его частях, вибрация фундамента от действия силы, приложенной на
границе упругой прокладки и механизма, может быть меньше, чем от
силы, действующей в удаленной от прокладки верхней части механизма
(хотя, на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впервые было
установлено, что ослабление вибрации на фундаменте механизма после
установки его на виброизоляторы (а это ослабление служит и мерой
снижения шума в соседнем помещении), как правило, меньше, чем передаточная
функция (перепад) колебательных уровней на амортизаторах, наиболее
просто измеряемых на готовой установке амортизации.
В США интересные работы по виброизоляции были выполнены
Кридом, Сноудоном и другими.
Исследование их
на специально созданных установках склонило чашу весов в пользу
последней.
Резина буквально
превращается в дерево, виброизоляция ее падает.
Многие конструкции не выдержали «испытания
практикой», но первые образцы амортизаторов и сейчас являются
одним из самых ходовых изделий этого вида. Их выпущено уже более
миллиона, они используются не только на судах, но и на других видах
транспорта, в промышленности, жилищном строительстве. Группа амортизаторов
различных размеров, поставленных рядом, напоминает семейство слоников,
которые когда-то можно было видеть на мещанских комодах. Самые маленькие
амортизаторы служат для защиты легких хрупких приборов от сотрясений,
самые большие — для звукоизоляции довольно тяжелых виброактивных
механизмов.
Можно применить и другое виброзадерживающее средство,
использующее эффект отражения колебаний из-за местного увеличения
сопротивления. Это — локальные массы, те же массы, с которых мы
начали рассказ о борьбе с вибрацией и ударами.
Кремером и А. С. Никифоровым.
Насколько позволяли языковые барьеры,
завязалась содержательная дискуссия.
Эхолокация в природеот чего дрожит земля и что такое вибрационная болезнь – Москва 24, 06.07.2015
Иллюстрация: Ольга Денисова
Пролетевший над ухом комар, проехавший рядом трамвай, гудящая вдали электростанция… Город наполнен вибрациями. Их обилие способно спровоцировать у человека синдром белых пальцев. Что это за болезнь и как именно вибрации влияют на наш организм? Отвечают наши друзья из Детского центра научных открытий «ИнноПарк».
Вибрация – это механическое колебание твердых тел. В Москве есть три основных группы–источника вибраций:
- транспорт,
- предприятия,
- электростанции.
Одна из характеристик вибраций – это частота, измеряемая в герцах. Если ее выразить в более понятных единицах – это количество колебаний в секунду. Вибрации, которые человек может услышать, лежат в диапазоне от 16 до 20 000 колебаний в секунду.
Мы замечаем летящего комара, потому что он делает 600 взмахов в секунду, но вряд ли засечем бабочку, которая делает 10 взмахов.
Наиболее опасными для человека являются вибрации низкой частоты – 6-9 герц. Именно в этом диапазоне пульсируют внутренние органы человека, из-за чего может возникнуть резонанс и, как следствие, вибрационная болезнь.
Главный санитарный врач России — о вирусе MERS и летних болезнях
Вибрационная болезнь, или синдром белых пальцев – заболевание, в основе которого лежат патологические изменения в рецепторном аппарате и различных отделах центральной нервной системы, возникающие при длительном воздействии местной и/или общей вибрации. Чаще всего заболевание встречается среди рабочих горнодобывающей, строительной, металлургической, судо- и авиастроительной, транспортной отраслей, а также в сельском хозяйстве. К профессиям, входящим в группу риска, относятся:
- бурильщики,
- полировщики,
- резчики по камню,
- шлифовщики,
- асфальтоукладчики,
- обрубщики,
- водители трамваев и другие.
Вибрация воздействует на весь человеческий организм, но наиболее восприимчивы к ней нервная и костная ткани. Первый удар принимают периферические кожные рецепторы на кистях рук и подошвах стоп. Больные жалуются на нерезкие боли и зябкость, отмечают легкие расстройства чувствительности в концевых фалангах. На более поздних стадиях наблюдаются утолщение и деформация ногтей, атрофия мелких мышц кисти.
Вызванный локальной вибрацией недуг сопровождается также общим недомоганием, повышенной раздражительностью, нарушением сна, головокружением и головной болью. Возможны сердечные боли и тахикардия. В некоторых случаях начинается расстройство секреторной и моторной функций желудка, нарушается работа пищеварительных желез.
Чаще всего мы сталкиваемся с вибрациями в метро. Иногда они кажутся нам сильными, но на самом деле дрожь была бы куда мощнее, если бы не современные технологии:
- виброизоляция,
- вибродемпфирование,
- виброгашение,
- вибропоглощение.
При строительстве новых линий в московской подземке применяются различные методы защиты от вибраций. Вот некоторые из них:
- Упругие опоры для путей на бетонных плитах (система «масса-пружина») защищают от структурного шума и вибраций.
- Подбалластные маты – своего рода первый, самый глубокий слой под путями.
- Вибропоглащающий материал легко сжимается по толщине и рассеивает энергию.
- Подрельсовые и нашпальные прокладки используются в упругих виброизолирующих элементах для рельсовых креплений.
- Подшпальные прокладки используются для предотвращения распространения вибраций и улучшения устойчивости верхнего строения пути.
Все эти способы применяются не только при строительстве новых линий, но и во время ремонта старых. Внутри кольца их можно встретить повсеместно.
Жилые дома также обеспечены вибро- и сейсмозащитой. Виброизоляторы из синтетической резины и многослойные резинометаллические устройства позволяют гасить вибрации в частотном диапазоне 8–63 герц.
Такие технологии применяются не только при возведении новостроек, но и при реставрации исторических зданий – например, Большого театра.
Причиной вибрации нередко является несовершенство конструкции, вызванное, в частности, колебанием температур. Например, в поезде мы порой чувствуем дрожь, исходящую от рельс. Это объясняется тем, что железо, из которого они изготовлены, расширяется при нагреве и сжимается от холода. Таким образом размер рельс меняется в зависимости от сезона, поэтому их не укладывают вплотную, а зазор дает проcтранство для вибраций.
Воздействие вибрации на тело человека далеко не всегда влечет за собой негативные последствия. Местная вибрация малой интенсивности способна улучшить функциональное состояние центральной новой системы, ускорить заживление ран и улучшить кровообращение, нормализовать сердечно-сосудистую деятельность. Аппаратная вибрация также используется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, последствий переломов и травм, бронхитов, радикулитов и остеохондрозов.
Елена Стрижакова, Детский центр научных открытий «ИнноПарк»
О «Физике города»
Каждый день, просыпаясь утром, мы погружаемся в город, полный фактур, звуков и красок. Пока мы идем на работу и гуляем в парке, нам в голову приходит миллион вопросов о том, как же все вокруг нас устроено в этом огромном мегаполисе. Почему небоскребы не падают? Чем отличается кровь горожанина от крови жителя деревни? Выше какого этажа не стоит жить и почему?
Мы предложили коллегам из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» дать ответы на наши вопросы и разъяснить, сколько велосипедистов нужно для освещения столицы, какие оптические иллюзии можно увидеть в городе и как начать экономить энергию, не выходя из дома. Так появился проект «Физика города». Новые вопросы и новые ответы ищите на нашем сайте по понедельникам и четвергам.
метро наука транспорт болезни технологии опасность ИнноПарк вибрации читать Физика города
Вибрация | физика | Britannica
- Ключевые люди:
- Марин Мерсенн Брук Тейлор
- Похожие темы:
- простые гармонические колебания сейсмическая волна демпфирование резонанс частота
Просмотреть весь связанный контент →
Понимание увеличения движения, метода, позволяющего исследователям отслеживать крошечные вибрации в инфраструктуре
Просмотреть все видео к этой статье вибрация , периодическое возвратно-поступательное движение частиц упругого тела или среды, обычно возникающее, когда почти любая физическая система выводится из состояния равновесия и реагирует на силы, стремящиеся восстановить равновесие.
Вибрации делятся на две категории: свободные и вынужденные. Свободные колебания возникают, когда систему на мгновение возмущают, а затем позволяют двигаться без ограничений. Классический пример — груз, подвешенный на пружине. В равновесии система имеет минимальную энергию и вес покоится. Если груз опустить и отпустить, система отреагирует вертикальной вибрацией.
Britannica Quiz
Физика и естественное право
Колебания пружины относятся к особенно простому типу, известному как простое гармоническое движение (SHM). Это происходит всякий раз, когда возмущению в системе противодействует восстанавливающая сила, точно пропорциональная степени возмущения. В этом случае возвращающей силой является растяжение или сжатие пружины, которое (согласно закону Гука) пропорционально смещению пружины. В простом гармоническом движении периодические колебания имеют математическую форму, называемую синусоидальной.
Большинство систем, испытывающих небольшие возмущения, нейтрализуют их, применяя некоторую форму восстанавливающей силы.
Часто хорошим приближением является предположение, что сила пропорциональна возмущению, так что СГМ в предельном случае малых возмущений является общим признаком вибрирующих систем. Одной из характеристик SHM является то, что период вибрации не зависит от ее амплитуды. Поэтому такие системы используются для регулировки часов. Колебания маятника, например, приближаются к SHM, если амплитуда мала.
Узнайте, как современные технологии помогают обнаруживать вибрации в зданиях и проверять структурные повреждения
Посмотреть все видео к этой статьеУниверсальным свойством свободной вибрации является демпфирование. Все системы подвержены силам трения, и они неуклонно истощают энергию колебаний, вызывая уменьшение амплитуды, обычно экспоненциально. Поэтому движение никогда не бывает точно синусоидальным. Таким образом, качающийся маятник, оставленный без движения, в конечном итоге вернется в состояние покоя в положение равновесия (минимум энергии).
Вынужденные вибрации возникают, если система постоянно управляется внешним фактором.
Простой пример — детские качели, которые толкаются при каждом качании вниз. Особый интерес представляют системы, подвергающиеся SHM и приводимые в действие синусоидальным воздействием. Это приводит к важному явлению резонанса. Резонанс возникает, когда частота возбуждения приближается к собственной частоте свободных колебаний. Результатом является быстрое поглощение энергии вибрирующей системой с сопутствующим ростом амплитуды колебаний. В конечном итоге рост амплитуды ограничивается наличием демпфирования, но на практике отклик может быть очень большим. Говорят, что солдаты, марширующие по мосту, могут создавать резонансные вибрации, достаточные для разрушения конструкции. Подобный фольклор существует об оперных певцах, разбивающих бокалы.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас
Электрические колебания играют важную роль в электронике. Цепь, содержащая как индуктивность, так и емкость, может поддерживать электрический эквивалент SHM, включающий синусоидальный ток.
Резонанс возникает, если цепь приводится в действие переменным током, частота которого соответствует частоте свободных колебаний цепи. Это принцип настройки. Например, радиоприемник содержит цепь, собственная частота которой может изменяться. Когда частота совпадает с частотой радиопередатчика, возникает резонанс и в цепи возникает большой переменный ток этой частоты. Таким образом, резонирующие контуры можно использовать для фильтрации одной частоты из смеси.
В музыкальных инструментах движение струн, мембран и воздушных столбов состоит из суперпозиции СГМ; в инженерных конструкциях вибрации являются обычным, хотя обычно нежелательным явлением. Во многих случаях сложные периодические движения можно понимать как суперпозицию СГМ на многих различных частотах.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Миком Андерсоном.
Учебник по физике: вибрационное движение
Все шатается. Они делают туда и обратно .
Они вибрируют; они трясутся; они колеблются. Эти фразы описывают движение различных объектов. Они даже описывают движение материи на атомном уровне. Даже атомы шевелятся — они двигаются туда-сюда. Покачивания, вибрации и колебания — неотъемлемая часть природы. В этой главе учебника физики мы попытаемся понять колебательное движение и его связь с волнами. Понимание вибраций и волн необходимо для понимания нашего физического мира. Многое из того, что мы видим и слышим, возможно только благодаря вибрациям и волнам. Мы видим окружающий мир благодаря световым волнам. А окружающий мир мы слышим благодаря звуковым волнам. Если мы сможем понять волны, тогда мы сможем понять мир зрения и звука.
Куклы-пупсы — пример вибрирующего объекта
Чтобы начать наши размышления о вибрациях и волнах, рассмотрим одну из тех сумасшедших кукол-пупсов, которых вы, вероятно, видели на бейсбольных стадионах или в магазинах новинок. Кукла-болванчик состоит из увеличенной копии головы человека, прикрепленной пружиной к телу и подставке.
Легкое постукивание по огромной голове заставляет ее качаться. Голова качается; он вибрирует; он колеблется. Когда ее толкают или как-то беспокоят, голова делает туда и обратно . Туда-сюда не бывает вечно. Со временем вибрации имеют тенденцию к затуханию и пупс перестает раскачиваться и, наконец, принимает свое обычное положение покоя.
Пупс-кукла является хорошей иллюстрацией многих принципов вибрационного движения. Подумайте, как бы вы описали движение вперед-назад огромной головы куклы-болванчика. Какими словами вы бы описали такое движение? Как меняется движение болванчика с течением времени? Чем движение одного болванчика отличается от движения другого пупса? Какие величины вы могли бы измерить, чтобы описать движение и тем самым отличить одно движение от другого? Как бы вы объяснили причину такого движения? Почему возвратно-поступательное движение болванчика в конце концов прекращается? Все эти вопросы стоит обдумать и на них стоит ответить, если мы хотим понять вибрационное движение.
На эти вопросы мы попытаемся ответить в разделе 1 этой главы.
Что вызывает вибрацию объектов?
Как и любой объект, совершающий колебательные движения, болванчик находится в состоянии покоя. Положение покоя — это положение, которое принимает пупс, когда он не вибрирует. Положение покоя иногда называют положением равновесия. Когда объект находится в положении равновесия, он находится в состоянии равновесия. Как обсуждалось в главе «Закон Ньютона» учебника, объект, находящийся в состоянии равновесия, находится в равновесии сил. Все отдельные силы — гравитация, пружина и т. д. — уравновешены или в сумме составляют общую результирующую силу 0 ньютонов. Когда болванчик находится в положении равновесия, силы, действующие на болванчика, уравновешиваются. Пупс будет оставаться в этом положении до тех пор, пока каким-либо образом не будет нарушено его равновесие.
Если к болванчику приложить силу, равновесие нарушится и болванчик начнет вибрировать.
Мы могли бы использовать фразу «вынужденная вибрация» для описания силы, которая приводит в движение неподвижную болванку. В этом случае сила является кратковременной, мгновенной силой, которая начинает движение. Пупс ходит туда-сюда, повторяя движения снова и снова. Каждое повторение движения вперед-назад немного менее энергично, чем предыдущее повторение. Если голова отклоняется на 3 см вправо от своего положения равновесия во время первого повторения, то во втором повторении она может отклониться вправо только на 2,5 см от своего положения равновесия. И он может отклониться только на 2,0 см вправо от положения равновесия во время третьего повторения. И так далее. Степень его смещения от положения равновесия со временем становится все меньше и меньше. Поскольку вынужденная вибрация, инициировавшая движение, является единственным проявлением кратковременной мгновенной силы, вибрации в конечном итоге прекращаются. Говорят, что болванчик испытывает затухание. Демпфирование — это тенденция вибрирующего объекта терять или рассеивать свою энергию с течением времени.
Механическая энергия качающейся головы передается другим объектам. Без устойчивая вынужденная вибрация, движение болванчика вперед и назад в конце концов прекращается, поскольку энергия рассеивается на другие объекты. Для поддержания возвратно-поступательного движения потребуется постоянный ввод энергии. В конце концов, если вибрирующий объект естественным образом теряет энергию, то ее необходимо постоянно возвращать в систему посредством вынужденной вибрации, чтобы поддерживать вибрацию.
Вибрирующий болванчик часто делает несколько раз туда-сюда. Вибрации повторяются снова и снова. Таким образом, пупс будет возвращаться (и проходить) в положение равновесия каждый раз, когда он возвращается из своего максимального смещения вправо или влево (или выше или ниже). Возникает вопрос, и, возможно, тот, о котором вы думали сами, когда размышляли над темой вибрации. Если силы, действующие на болванчика, уравновешиваются, когда он находится в положении равновесия, то почему болванчик отклоняется от этого положения? Почему болванчик не останавливается при первом возвращении в положение равновесия? Ответ на этот вопрос можно найти в первом законе движения Ньютона. Как и любой движущийся объект, движение вибрирующего объекта можно понять в свете законов Ньютона. Согласно закону инерции Ньютона, движущийся объект будет продолжать свое движение, если силы уравновешены. Иными словами, уравновешенные силы не останавливают движущиеся объекты. Таким образом, в каждый момент времени, когда болванчик находится в положении равновесия, мгновенный баланс сил не остановит движение. Пупс продолжает двигаться. Он движется мимо положения равновесия к противоположной стороне его качели . Поскольку болванчик выходит за пределы своего положения равновесия, существует сила, способная замедлить и остановить его. Эта сила, которая замедляет движение болванчика по мере его удаления от положения равновесия, называется восстанавливающей силой. Возвращающая сила воздействует на вибрирующий объект, возвращая его в исходное положение равновесия.
Вибрационное движение часто противопоставляется поступательному движению. При поступательном движении объект постоянно перемещается. Первоначальная сила, действующая на объект, смещает его из положения покоя и приводит в движение. Но поскольку возвращающей силы нет, объект продолжает движение в своем первоначальном направлении. Когда объект вибрирует, он не смещается постоянно. Возвращающая сила действует, замедляя его, изменяя его направление и возвращая его в исходное положение равновесия. Объект в поступательном движении постоянно смещается из своего исходного положения. Но объект в колебательном движении колеблется вокруг фиксированного положения — своего исходного положения равновесия. Из-за возвращающей силы вибрирующие объекты совершают туда и обратно . Мы рассмотрим возвращающую силу более подробно позже в этом уроке.
Как вы знаете, пупсы — не единственные объекты, которые вибрируют. Можно с уверенностью сказать, что все объекты так или иначе можно заставить вибрировать в той или иной степени. Вибрации могут быть недостаточно большими, чтобы быть видимыми. Или величина демпфирования может быть настолько сильной, что объект едва завершает полный цикл вибрации. Но пока сохраняется сила, возвращающая объект в исходное положение, смещение из положения покоя будет приводить к вибрации. Известно, что даже большой массивный небоскреб вибрирует, когда ветер давит на его конструкцию. Пока он удерживается на месте у основания (мы надеемся), ветры смещают длину конструкции, и небоскреб вынужден вибрировать.
Маятник — классический пример объекта, который считается вибрирующим. Простой маятник состоит из относительно массивного предмета, подвешенного на веревке к неподвижной опоре. Обычно он висит вертикально в положении равновесия. Когда масса выходит из равновесия, она начинает совершать возвратно-поступательные колебания вокруг фиксированного положения равновесия. Движение регулярное и повторяющееся. В следующей части этого урока мы опишем такое регулярное и повторяющееся движение как периодическое движение. Из-за регулярного характера движения маятника во многих часах, таких как напольные часы, маятник используется как часть механизма отсчета времени.
Перевернутый маятник — еще один классический пример объекта, совершающего колебательное движение. Перевернутый маятник — это просто маятник, фиксированный конец которого расположен под вибрирующей массой. Перевернутый маятник можно сделать, прикрепив груз (например, теннисный мяч) к верхнему концу дюбеля, а затем прикрепив нижний конец дюбеля к горизонтальной опоре. Это показано на диаграмме ниже. Слабое усилие, приложенное к теннисному мячу, заставит его колебаться около фиксированного положения равновесия. Вибрирующий небоскреб можно представить как своего рода перевернутый маятник. Высокие деревья часто смещаются от их обычной вертикальной ориентации сильными ветрами. Когда ветер утихнет, деревья будут колебаться взад-вперед относительно своего фиксированного положения. Такие деревья можно рассматривать как перевернутые маятники. Даже зубцы камертона можно считать своего рода перевернутым маятником
Другим классическим примером объекта, совершающего колебательное движение, является груз на пружине. Анимация справа изображает массу, подвешенную к пружине. Масса висит в состоянии покоя. Если груз тянет вниз, пружина растягивается. Как только масса освобождается, она начинает вибрировать. Он совершает движений вперед и назад , колеблясь вокруг фиксированного положения. Если пружину вращать горизонтально, а массу положить на опорную поверхность, можно наблюдать такое же движение вперед и назад. При подтягивании массы вправо от исходного положения пружина растягивается. При отпускании масса оттягивается влево, направляясь к исходному положению. Пройдя свое положение покоя, пружина начинает сжиматься. Сжатие спиральной пружины приводит к возникновению восстанавливающей силы, которая снова давит вправо на движущуюся влево массу. Цикл продолжается, когда масса колеблется взад и вперед относительно фиксированного положения. Пружины внутри матраса, системы подвески некоторых автомобилей и напольные весы работали как масса на пружинной системе.
Во всех только что упомянутых вибрационных системах явно выражено демпфирование. Простой маятник не вибрирует вечно; его энергия постепенно рассеивается за счет сопротивления воздуха и потери энергии опорой. Перевернутый маятник, состоящий из теннисного мяча, закрепленного на вершине стержня, не колеблется вечно. Подобно простому маятнику, энергия теннисного мяча рассеивается за счет сопротивления воздуха и колебаний опоры. Силы трения также заставляют массу на пружине отдавать свою энергию окружающей среде. В некоторых случаях демпфирование является предпочтительной функцией. Системы автомобильной подвески предназначены для рассеивания энергии вибрации, не позволяя водителям и пассажирам перемещаться туда-сюда, как они это делают на дороге.
Надеюсь, мы получили ответы на многие из наших первоначальных вопросов. Но один вопрос, на который еще нет ответа, касается величин, которые можно измерить. Как мы можем количественно описать вибрирующий объект? Какие измерения вибрирующих объектов можно произвести, чтобы отличить один вибрирующий объект от другого? Мы обсудим этот вопрос в следующей части этого урока, посвященного вибрационному движению.
