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在1940年的时候,在美国发生了一件奇怪的事,一座名叫塔科玛的吊桥塌了,而这座桥距离建成通行只有短短四个月的时间!各位可能奇怪了,桥塌了就塌了,不过是使用时间短点,这又有什么奇怪的呢?确实,桥塌了不奇怪,问题在于在这桥是被风吹塌的。
其实,在大桥建成后,人们发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动的情况,在遇到轻度至中度风的时候,桥的晃动会更加剧烈甚至会出现扭曲变形的情况,而桥中间的摆动可达每4到5秒几英尺。有司机讲在桥上行驶时可以明显感觉到桥的摆动。而这座桥呢,也被当地的居民起了一个绰号叫“舞动的格蒂”。
其实每座吊桥在汽车行驶或者风吹下都会发生晃动,那为什么塔科玛吊桥会晃动至倒塌呢?在桥倒塌后组成了专家组,据调查是因为经费不足的原因,为了节约成本,所以修改了原有的设计稿,在新的设计中将风转移到了桥面上下两端。随后就有专家指出大桥倒塌的根本原因是使用了浅支撑梁的决定,如果风速小持续时间短,大桥可能不会倒塌,但是在当时风速大约为40英里每小时,而且风吹时间久,所以问题就来了。大桥在倒塌时是发生在一个前所未有的扭曲形式下,当时的这种扭曲是力学上的扭转变形,桥的中心不动,桥的两端因为扭矩的存在而扭曲并不断振动,这种振动是由于空气弹性颤振引起的,颤振的出现使风对桥的影响越来越大,最终使桥倒塌。而这件事也被作为物理和工程类的经典例子。
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原理说明:
在玻璃罩内有五个大小不一,但质地相同的金属圆环,这五个圆环按照从小到大的顺序依次安装在一个喇叭上,下方的操作台上有一个频率表、一个金属按钮和一个旋钮,这个旋钮是用来调节喇叭的声音频率的。当按下启动按钮时并旋转调节频率的旋钮,我们会发现并不是所有的圆环同时振动,而是某一个圆环振动,然后逐渐增加频率,我们会看到不同频率使不同的圆环剧烈抖动,仔细观察我们还会发现当某一圆环开始抖动时并不是整个圆环都在抖动,而是某几个位置带动整个圆环开始抖动。这是因为喇叭发出的声波推动金属环作受迫振动,当把喇叭的频率设定在金属环的固有频率上时,金属环会产生剧烈的共振。
那什么是共振?物体本身都存在一个固有的振动频率,这个固有频率由物体的材料、形状、质量分布等因素决定,这个固有振动在有外力作用时,如吸收另一物体传来的振动,这个物体会发生被迫振动,如果该物体所作的被迫振动与它的固有频率相匹配,那么两种振动就会叠加在一起,使振动的振幅大大增加,这就是共振。
拓展与延伸:
如果振动能量已超出自身所能负荷的共振频率或许会造成灾难性的破坏,例如用适当音调频率的声音就能将红酒杯震碎。共振是十分普遍的自然现象,几乎在物理学的各个分支学科和许多交叉学科以及工程技术的各个领域中都可以观察到它,都要应用到它。
地震仪就是利用共振原理制造的,不仅是地震记录和研究地震预报的基本手段,也是研究地球物理的重要工具。还有专家认为,音乐的频率、节奏会引起人体组织细胞发生和谐共振现象,这种声波引起的共振使人有一种舒适、安逸感,所以人们开始运用音乐的共振治疗一些心理和生理上的疾病,共振带给我们的不仅仅只有好处,还有意想不到的灾难,巨大的冰川可以被海洋波涛拍裂;在有积雪的山顶大喊可以发生雪崩,而这一些都离不开共振。那么我们究竟能不能消除这些共振呢?人们通过对共振的认识与研究发现,防止共振的最好方法是改变物体的固有频率,使之与外来作用力的频率相差越大越好。当然,在不同的场合与环境下,会采取相应的方式来减少共振带来的危害。比如:在电影院等地方我们会发现墙壁上都是海绵,这是使声音的频率在碰到这些柔软的物体时,不能与它们共振,而是被吸收掉从而达到隔音效果。
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