广州塔的阻尼器本质上是一个巨型单摆,其原理基于共振和能量守恒。
物理模型:简化后就是一个受迫振动系统。
振源:风荷载(外力)使广州塔(主系统)发生振动。
阻尼器:塔内悬挂的两个巨大水箱(子系统),其自身有固定的固有频率。
关键考点:共振的利用(而非避免)
通常我们学习共振时,强调的是其危害(如军队齐步过桥导致桥梁坍塌),需要避免。
广州塔的阻尼器是主动利用共振的典范。工程师通过精确计算,将水箱的固有频率调整到与塔身在常见风载下的振动频率一致或非常接近。
当塔身因风而振动时,就会“带动”水箱发生共振。
工作原理(能量视角):
当塔身振动时,能量传递给水箱,水箱发生剧烈的摆动。
水箱在摆动过程中,通过其内部的阻尼装置(如液体晃动、机械摩擦等)将机械能(动能和势能)转化为内能(热能)耗散掉。
这样一来,主结构(塔身)振动的能量就被“转移”并“消耗”掉了,从而大幅减小了塔身的摆动幅度。
北京高考物理选择题(第14题)压轴题。如下:
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