Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Вынужденные колебания. Резонанс

Почему возникает морская качка? Корабль качается на волнах, и частота качки совпадает с частотой набегающих волн. Чем выше волны, тем сильнее качка.

Почему мы слышим? Оказывается, по тем же самым причинам: звуковая волна вызывает колебания барабанной перепонки. Следовательно, для возбуждения и поддержания колебаний нужен источник энергии. Колебания, вызванные теми или иными силами, называются вынужденными, а сами силы — возмущающими. Каков источник вынужденных колебаний машин? Один из самых распространенных типов возбуждения — кинематическое. Если точка подвеса маятника совершает колебания в горизонтальной плоскости, то маятник раскачивается с той же частотой — это и есть кинематическое возбуждений. Вибрация из-за езды по неровной дороге, расплескивание воды из стакана, стоящего на столе в вагоне движущегося поезда,— тоже результат кинематического возбуждения.

Другой источник возмущения — это внешние силы. Пусть, к примеру, на фундаменте установлен электродвигатель с неуравновешенным ротором (рис. 1). Вертикальная составляющая центробежной силы возбуждает колебания фундамента; а горизонтальная составляющая действует на крепежные болты. «Срез» креплений, вызванный действием неуравновешенных сил,— один из возможных источников аварий. Идеально уравновесить элементы механизмов практически невозможно, поэтому в механизмах с вращающимися частями почти всегда возникают вибрации. Электромагнитные силы также способны возбуждать вибрации. Колебания, возбуждаемые такими силами, чаще всего возникают в электродвигателях: силы электромагнитного взаимодействия между ротором и статором приводят к упругому (вибрационному) деформированию статора и опор.

Перечислить все источники возбуждения невозможно. Для турбины или гребного винта — это гидродинамические силы, для самолета — отрыв вихрей, связанный с неидеальным обтеканием. Неожиданная вибрация возникает, например, при сбрасывании парашютистов с крыла самолета: появление людей па крыле вызывает дополнительные вихри и как результат — интенсивную тряску. Таким образом, природа сил может быть самой разнообразной, но закономерности, которым подчиняется движение, одинаковы и для качки корабля, и для вибраций крыла самолета.

Амплитуда колебаний А зависим от отношения частоты w внешней силы к собственной частоте р системы q= w/p. Резкое увеличение амплитуды Колебашй при w=р называется резонансом. Чем слабее демпфирование (к0 < к1 < к2 < к3) тем ближе резонансная частота к собственной и тем больше амплитуда колебаний (рис. 2).

Во многих реальных конструкциях рассеяние энергии очень слабое, и совсем малая переменная сила может вызвать опасные колебания. Говорят, что в эпоху средневековья испытания новых мостов проводили так: на мосту «шагал на месте» взвод солдат, а архитектор стоял под мостом, и последствия небрежного отношения к делу могли обрушиться на голову в прямом смысле. В 1850 г. Анжерский подвесной мост был разрушен идущим в ногу пехотным батальоном. Мост рухнул в пропасть, увлекая за собой людей. Это была не единственная катастрофа такого рода, и в конце концов пришли к мудрому решению: поскольку никогда нельзя предугадать, совпадет ли ритм солдатских шагов с одной из собственных частот моста, то на мосту отряд солдат должен идти не в ногу. Впрочем, к тому времени, когда такое решение было принято, практически этот вопрос потерял актуальность из-за новой технологии и новых материалов, применявшихся на строительстве мостов.

Мы уже говорили о том, что груз на пружине, или маятник,— самая простая модель колебательного процесса, а реальные системы — это сложные упругие тела или системы тел, имеющие целый набор собственных частот. Если только одна из частот возбуждения совпадает с любой собственной частотой системы, то могут возбуждаться интенсивные резонансные колебания.

Полезны или вредны резонансные колебания? Чаще мы вспоминаем об их вреде: действительно, так неприятно путешествовать в дребезжащем вагоне, и так удобно — в уютном спальном. А ведь плавный ход объясняется и тем, что у спального вагона низкие частоты свободных колебаний — гораздо ниже частоты воздействия. Такой вагон имеет так называемую мягкую подвеску.

Интенсивные резонансные вибрации могут привести к авариям, к разрушениям машин и фундаментов, к неудобствам для человека-оператора или пассажира. Если же вибрация служит основой рабочего процесса, то систему специально настраивают на резонанс. Резонансные эффекты использовались еще в давние времена. Каким образом звонарю удавалось раскачивать огромные колокола? Ясно, что колокол надо подталкивать с периодом, равным периоду собственных колебаний, при этом малыми усилиями можно добиться большого эффекта.

История, целенаправленного использования резонанса в механических конструкциях сравнительно коротка: первые вибрационные машины с резонансным рабочим режимом были созданы в начале 30-х годов нашего века. В резонансном режиме удалось добиться такого интенсивного движения и столь высокой производительности, которые, как правило, недоступны машинам, основанным на ином принципе. Серия механических экспериментов показала, что резонансом можно управлять. Более того, в ленте транспортера, по которой бегут резонансные волны, можно устранить так называемое внутреннее и поверхностное трение.

Возможно, что резонансные машины существенно изменят современный парк машин и будут широко применяться для получения новых высокопрочных материалов в микробиологии и медицине. Но это — дело будущего.

К.В.ФРОЛОВ - "ВИБРАЦИЯ — ДРУГ ИЛИ ВРАГ?"

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика