機(jī)械振動(dòng)與電磁振蕩的妙用

趙鵬睿 崔彥彬

(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系 河北 保定 071001)

一般地說(shuō)，任何一個(gè)物理量的值不斷地經(jīng)過(guò)極大值和極小值而變化的現(xiàn)象，稱為振動(dòng)，振動(dòng)是自然界中最普遍的一種運(yùn)動(dòng)形式．

電磁振蕩和機(jī)械振動(dòng)屬于不同的物理現(xiàn)象，屬不同的領(lǐng)域，都有各自的研究對(duì)象，表面上似乎互不關(guān)聯(lián)，但仔細(xì)研究它們的規(guī)律時(shí)，物理本質(zhì)上存在著某些共同的規(guī)律——振動(dòng)原理，也就是運(yùn)用振動(dòng)或振蕩，便將一種規(guī)則的、周期性的變化包含在一個(gè)平均值附近．

振蕩現(xiàn)象與我們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，振動(dòng)原理的應(yīng)用自古有之．例如計(jì)時(shí)方法，大概除了日晷、沙漏、滴漏以外，其余的計(jì)時(shí)原理都與振蕩有關(guān)，從較簡(jiǎn)單的單擺、平衡輪，直至石英鐘、銨分子鐘、銫原子鐘，都是利用振蕩現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的計(jì)量．進(jìn)一步的考察使我們認(rèn)識(shí)到，振蕩過(guò)程總是伴隨著反復(fù)的能量轉(zhuǎn)換．例如單擺的振蕩，就是動(dòng)能和重力勢(shì)能之間的反復(fù)變換．氨分子鐘亦然，只不過(guò)是把重力換成了鍵力．

生產(chǎn)中成功運(yùn)用振動(dòng)原理的發(fā)明可謂俯拾皆是．有一種運(yùn)送物料的裝置就巧妙地利用了振動(dòng)，它可以使粉狀的、顆粒狀的或成型的物料或產(chǎn)品沿直線的或螺旋的通道移動(dòng)，其作用原理是非對(duì)稱振動(dòng)．若不是非對(duì)稱，物料只能在原地振動(dòng)，而不會(huì)如我們所希望的實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)．而這種振蕩巧就巧在只需一個(gè)工頻振蕩的電磁鐵就可實(shí)現(xiàn)，從而省去了軸輥或傳送帶這些需要維護(hù)的部件．

振動(dòng)原理的另一項(xiàng)成功運(yùn)用是沖擊鉆．很難設(shè)想若沒(méi)有沖擊鉆，巖石打孔、建筑安裝或電氣安裝的打孔等作業(yè)將如何完成．如果只是用鉆頭在巖石或混凝土構(gòu)件上簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)，不但進(jìn)度奇慢，而且摩擦的熱量會(huì)使鉆頭前端焊接的合金鋼與鉆桿開(kāi)焊、脫落．只有加入振動(dòng)后，一方面是有力度的軸向錘擊，另一方面通過(guò)旋轉(zhuǎn)將震碎的殘?jiān)懦?，才能?shí)現(xiàn)較可觀的工作效率．與此相似，風(fēng)鎬、混凝土振搗棒也都是振動(dòng)原理的成功應(yīng)用．成功運(yùn)用振動(dòng)原理的發(fā)明可謂比比皆是．

聲學(xué)領(lǐng)域也是震蕩應(yīng)用的主要領(lǐng)域，很多發(fā)明和振蕩密切相關(guān)的．嚴(yán)格地說(shuō)，次聲、可聞聲以及超聲的差別僅在于振蕩頻率的不同，只是根據(jù)我們的感知來(lái)加以區(qū)分的．

1877年，當(dāng)愛(ài)迪生第一次把唱頭的唱針輕輕放在錄音錫簡(jiǎn)上時(shí)，他在該領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了新紀(jì)元．因?yàn)樵诖酥罢l(shuí)能認(rèn)識(shí)到聲音竟然是可以儲(chǔ)存的?也沒(méi)有人敢設(shè)想讓機(jī)器來(lái)模仿人的聲音．這是愛(ài)迪生對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象的一次經(jīng)典運(yùn)用．

量變導(dǎo)致質(zhì)變，聲振蕩頻率的差異必然導(dǎo)致其特性的差異．例如，次聲不易衰減的特性可以用來(lái)預(yù)測(cè)災(zāi)變，利用次聲與人體臟器的共振而產(chǎn)生了次聲武器．超聲則在非常寬泛的領(lǐng)域顯示出神奇的功效．例如在醫(yī)療方面用于診斷治療，航海方面用于聲納，工業(yè)方面用于探傷、鉆孔、成像、干預(yù)化學(xué)反應(yīng)等．

電磁振蕩對(duì)社會(huì)進(jìn)步的貢獻(xiàn)怎么說(shuō)也不過(guò)分．1865年麥克斯韋方程預(yù)示了電磁波的存在．此后，在1887年赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋理論的正確，自此，我們生活的空間就增加了一種新的存在——電磁波．嚴(yán)格地說(shuō)是人工產(chǎn)生的電磁波，因?yàn)樽匀恍螒B(tài)的電磁波一直就充斥于宇宙空間．無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，它們的區(qū)別僅在于波長(zhǎng)不同，但都以光速傳播．自從19世紀(jì)末意大利人馬可尼和俄羅斯人波波夫各自成功地進(jìn)行了無(wú)線電通信試驗(yàn)以來(lái)，人們?cè)谶@領(lǐng)域的探索就一發(fā)不可收拾．最初人們嘗試用不同波段的無(wú)線電波進(jìn)行通訊，僅此項(xiàng)就夠讓當(dāng)時(shí)的人們興奮好大一陣子的了．然后，在1906年無(wú)線電廣播出現(xiàn)了．1925年發(fā)明了電視機(jī)；1936年軍用雷達(dá)誕生；1946年電子計(jì)算機(jī)誕生；1947年基于雷達(dá)的技術(shù)成果，微波爐誕生；1954年彩色電視誕生；20世紀(jì)末手機(jī)誕生了，手機(jī)的出現(xiàn)極大地改變了我們的生活，以至于今天的人們很難想象，如果沒(méi)有手機(jī)我們將如何應(yīng)對(duì)日常事務(wù)．

這一切都源于振動(dòng)與振蕩，而這些成就大多集中在近200年的時(shí)段里．振動(dòng)與振蕩現(xiàn)象為我們的發(fā)明創(chuàng)新提供了無(wú)窮無(wú)盡的可能性和想象空間，而我們?cè)谶@領(lǐng)域的探索才剛剛開(kāi)始．

任何事物都有兩方面，振動(dòng)雖然改變著我們的生活，影響著世界的進(jìn)程，但是，振動(dòng)引起的噪音會(huì)影響人們的身體健康，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)影響加工精度、儀表的測(cè)精度、控制系統(tǒng)失靈等．機(jī)械振動(dòng)還要消耗能量，影響機(jī)械的效率，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)引起零部件結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成嚴(yán)重事故．