所以这里只谈论周期力驱动的振动,同样是从“法则”开始这个话题,向大家表明:受迫振动是一定的“法则”和条件之下的必然产物 。周期性的驱动力可以表示为:(ω是驱动力的角频率 。)考虑最普遍的情况,既有阻尼,又有驱动力,此时的牛顿第二定律是:这个微分方程的解只有1种运动模式:此时的振动频率不再是系统的固有频率,而是驱动力的频率 。
速度共振和位移共振仍然考虑最普遍的情况,既有阻尼,又有驱动力 。尽管此时系统的振动频率不再是固有频率,但是固有频率依旧在影响着系统的振动,它决定着驱动力在一个周期内对物块做的功的多少 。在一个周期内,驱动力对物块做的 正功 越多,物块的速度峰值就越大;驱动力对物块做的负功越多,物块的速度峰值就越小 。如果驱动力在物块运动的整个周期内都做正功,物块的速度峰值将会最大,这就是速度共振 。
此时,驱动力对系统的能量输入达到最佳状态,所以速度共振又被称为能量共振 。可以想象,驱动力的频率与系统的固有频率相同时,驱动力将在物块运动的整个周期内都做 正功,此时就发生了速度共振 。事实也确实如此,可以从牛顿第二定律出发,推导出速度峰值计算公式:补充一下β的定义公式:可以用一些数学方法得到速度峰值最大时(速度共振)对应的驱动力频率:此时驱动力的频率与系统的固有频率相同 。
接下来又有一个问题:速度峰值最大,就意味着振幅也最大吗?光靠脑子想是不可靠的,想要得到可靠的答案,就需要数学计算 。可以从牛顿第二定律出发,推导出振幅计算公式:这个公式的图像就是一些资料里经常出现的这张图:观察上面的公式,可以用一些数学方法得到振幅最大时(位移共振)对应的驱动力频率:很容易看出,振幅最大时,驱动力的频率并不等于系统的固有频率 。
也就是说位移共振的共振频率并不等于系统的固有频率 。(数学的力量就是这么强大,可以把握每一个细节 。)一般工程中所说的共振就是位移共振,位移共振又叫振幅共振 。写在最后有很多人主次不分,把各种细枝末节捧得太高,执着于“猎奇”,却一直忽视完整的方法论 。就共振来说,它仅仅只是动力学中的细枝末节 。掌握了一套完整的知识体系,理解那些奇特的现象是水到渠成的事,否则即使你了解了那些新奇的现象,也仅仅只是自以为是 。
为什么共振能释放出巨大的能量?
共振是在外界载荷的激励下,当激励频率与结构固有频率一致时,发生振幅变大的现象 。共振本身并不是一个释放能量的过程,相反,共振实际上是结构在外载作用下积聚能量的过程 。当积聚的能量超过了结构能承受的极限时,就会发生破坏,此时才是能量的释放 。结构破坏所释放的能量也没有放大,依然遵循着能量守恒定律 。1、共振的故事说到共振,相信很多小朋友都听过一个小和尚的故事 。
有个小和尚有一个乐器钹,挂在房间内 。晚上的时候,这个钹会自己响起来,吓坏了小和尚 。后来,老和尚发现,只要寺里的大钟敲起来,这个小钹就会自己响 。老和尚毕竟经验丰富,拿起锉刀,在钹的表面挫了两刀 。从此以后,这个钹再也没有响过 。2、共振的原理上面这个小故事中,钹的响动是由于受到大钟的影响 。大钟被击打后发出声波,声波传递到了小钹上,于是小钹开始振动起来 。
当传过来的声波频率与小钹的振动频率接近时,振动的幅度就变的很大了,从而小钹开始发出了声音 。这里,大钟传递过来的声波就是一种外载激励 。外载不仅仅是声波,其他一切对物体的作用都可以是外载,这种作用通常以力的形式表现出来 。这是共振的首要因素,即存在外载的激励 。共振另一个因素就是结构的固有频率 。固有频率是结构的一种属性,它与材料、结构形状、约束形式有关 。
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