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机械振动 · 会摇会共振的东西

机器为何振动,何时变得危险

从自由振动到阻尼、共振、模态。把振动看成会动的画面,而不是公式。

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01固有频率由刚度和质量决定
拉一下重物再松手它就自己振动,刚度↑·质量↓更快,ωₙ = √(k/m)
#音叉#吉他弦#汽车悬挂
02能量在动能与势能之间不停交换
两端虽停但弹簧充满,中心最快,½kx²+½mv²=½kA² 始终不变
#秋千#钟摆#弹簧高跷
03振动为何会平息 — 阻尼
阻尼器每周期抽走能量,振幅按比率衰减,ζ=c/(2√(km))划分欠、临界、过阻尼
#减震器#闭门器#发动机支座
04共振 — 当微小的力变成剧烈的摇晃
驱动与 ωₙ 相合时放大倍数 M=1/√((1−r²)²+(2ζr)²)暴涨,峰高由阻尼(≈Q)决定
#塔科马大桥#震碎酒杯#洗衣机脱水
05两个质量,两种节拍 — 模态
耦合的两质量有同相(ω₁)与反相(ω₂)两个模态,任何运动都是其和,N 质量 → N 模态 (TMD)
#摩天楼调谐阻尼#耦合摆#车身模态
06无穷多的质量 — 驻波
让质量趋于无穷便成弦或梁,模态是整数倍的驻波 fₙ = n·f₁(泛音),音高由 f₁ = (1/2L)√(T/μ) 决定
#吉他音高#小提琴弦#管风琴
07不是张力而是刚度 — 梁的弯曲振动
梁靠弯曲刚度(EI)而非张力振动,模态非正弦、频率非整数倍(悬臂 1:6.27:17.5),f₁ ∝ √(EI/ρA)/L²
#跳水板#机翼颤振#高楼摇摆
08隔离晃动的地面 — 隔振
基础晃动时响应比为传递率 TR=X/Y,隔振(TR<1)需 r>√2,所以降低 ωₙ(软支座),而阻尼是双刃
#隔震支座#光学防振台#相机防抖
09旋转之物为何振动 — 旋转不平衡
偏心质量产生 F₀=m·e·ω²(随转速平方),响应 M·X/(m·e)=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²),高速时 X→m·e/M,靠动平衡解决
#洗衣机脱水桶#车轮动平衡#风扇抖动
10同一装置,两种仪表 — 振动测量
壳内质量的相对位移 z=x−y,Z/Y=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²);r≫1(低 ωₙ)=地震仪(位移),r≪1(高 ωₙ)=加速度计(Z≈a/ωₙ²)
#地震仪#手机加速度计#安全气囊传感器
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