图解阻尼力
想象一下,你在地面上用力扔一个球。从理论上讲,如果初始力是唯一施加的力,球应继续滚动而不停止……
事实上,球在滚动一段时间后会停下来。
想象一下,你在地面上用力扔一个球。
从理论上讲,如果初始力是唯一施加的力,球应继续滚动而不停止......
事实上,球在滚动一段时间后会停下来。
为什么球会停下来?因为在球和地面之间的接触处存在摩擦力,并与球体运动方向相反。
为什么球滚了很长时间才停下来?因为球体与地面接触面很小,反向作用的摩擦力也小。
试想一下你扔一个立方体会有什么结果?立即停了下来,因为它与地面接触面很大,摩擦力也大,使立方体不能向前滑动。
阻尼的作用就类似于上面的例子,摩擦力只是阻尼力的一种形式。
可以定义:
在工程领域,阻尼力是一个与振动速度大小成正比,与振动速度方向相反的力。
该模型称为粘性阻尼模型,能较好地模拟空气、水等流体对振动的阻碍作用。
当你开车时,风会对车头产生一个反作用力,并且速度越快,阻力越大。
自动闭门器,就是一个很好的例子,由于阻尼力的存在,使门缓慢关上,避免了关门时的噪音,也防止夹手。
阻尼器在应用于桥梁,安装在桥面和桥墩之间的阻尼器,减轻车辆产生的震动对桥墩的影响。在地震来临时,耗散或降低作用在两者之间的地震力。
在建筑物的顶层放置大球,通过球体的摆动消耗地震能量,保护大楼的安全。
上面采用的技术称作TMD(Tuned Mass Damper)调频质量阻尼器,是阻尼技术在抗震中的一个应用实例。
其基本原理是利用钟摆效应,如下图所示,在建筑物振动时,钟摆可以产生一个反向的作用力,从而减弱建筑物的振动。
当没有TMD时,结构在地震力作用下,会首先向右侧产生侧向位移X1,和侧向力K1;
由于震动能量的存在,接着会产生向左侧的位移X2,和侧向力K2,由于结构阻尼的存在,X2和K2会小于X1和K1。
这一循环就是结构的震动周期。结构就这样左右振动,直到停止。
建筑物中的人会感受到结构产生的侧向位移,在高层建筑顶层中,有时会达到2-3米。
如果在屋顶悬挂一个重物(Mass),并设定它的震动周期与结构相等(起到调频作用,即Tuned),增大结构物的阻尼(Damper),就能够显著减少建筑物的侧向位移和侧向力,同时能够使建筑物振动快速停止。
这个重物称为质量,起到阻尼的作用,调整振动周期也可以称作调频。这套技术就叫做TMD(Tuned Mass Damper)调频质量阻尼器。
下面是一个视频例子,来动态说明TMD的作用。
左右两边物体同时开始振动,右边采用了TMD技术,不仅振幅减小,而且振动很快停了下来。左边物体振幅较大,振动时间很长。