La deformación es la fuente de la fuerza
En primer lugar, necesitamos saber ¿por qué se destruyó el puente? De hecho, la clave está en la deformación. Todos los objetos en nuestro mundo macroscópico se deformarán cuando se les someta a fuerza. Aunque algunos materiales son muy duros y la deformación es tan pequeña que es casi imperceptible, aún se puede observar siempre que los instrumentos experimentales sean lo suficientemente precisos.
La deformación cambiará la distancia relativa entre las moléculas, y la fuerza entre las moléculas es una combinación de atracción y repulsión. Cuando la distancia es demasiado cercana, mostrará una fuerte repulsión, y cuando está demasiado lejos, mostrará una fuerte repulsión. Mostrará una atracción extremadamente débil Sólo dentro de un pequeño intervalo aparecerá como la rigidez de un objeto que normalmente percibimos, es decir, la distancia entre los puntos a y b en la figura siguiente.
Entonces cuando el objeto es sometido a una fuerza, la distancia entre las moléculas se moverá hacia el punto b, generando una fuerza mayor para equilibrar la fuerza externa y si la fuerza externa es demasiado grande, incluso si la distancia; entre las moléculas supera el punto b, aún no será posible. Si se equilibra, se producirá rotura.
La relación entre energía, fuerza y deformación
Bueno, ahora que se ha determinado que la deformación es la fuente del daño, lo que necesitamos saber es cuál es la relación entre energía, Fuerza y deformación Una bola de hierro de 1 tonelada cae desde una altura de 30 metros. En el instante en que golpea el suelo, la velocidad es de 24,243 metros/segundo y la energía total liberada llega a 294 kilojulios. Entonces, ¿es esta energía suficiente? ¿Destruir un objeto con capacidad de carga?
Hay un parámetro que nadie ha notado, es decir, el tiempo consumido por el proceso de colisión, la fuerza de impacto instantánea F=mv/t, m es la masa, v es la velocidad, puede Se puede ver que mv es un valor determinado, para la bola de hierro, por ejemplo, es 24243 kg·m/s. Si el impacto es sobre hierba, el tiempo desde el contacto hasta la parada se toma como 0,3 segundos, y la fuerza de impacto instantánea es equivalente. a 8,245 toneladas; si es tierra firme, el tiempo de impacto se toma como 0,1 segundos y la fuerza de impacto equivale a 24 toneladas; ¿y si es un cristal grande de un metro cuadrado? Si el tiempo de impacto es de 0,01 segundos, la fuerza sobre el cristal en un instante llega a 242 toneladas.
El efecto del impacto instantáneo y la presión estática es básicamente el mismo, es decir, usar una bola de hierro de 1 tonelada para golpear un cristal grande desde 30 metros de distancia no es diferente del efecto de usar directamente un 242 -toneladas de peso para triturar un cristal grande. La capacidad de carga estática final del puente es mucho mayor que la de las tropas que caminan sobre él, entonces, ¿por qué colapsa? Creo que ya se puede adivinar el problema: debido a que el puente fue sometido a fuerzas dinámicas que en algún momento excedieron el límite estático, las moléculas del material se rompieron y la estructura quedó destruida.
¿Cómo crear una fuerza dinámica tan enorme? De hecho, ya podemos vislumbrarlo en F = mv/t. En teoría, siempre que el tiempo de impacto sea extremadamente pequeño, incluso la energía de un suspiro puede producir decenas de miles de toneladas de fuerza. Con la bendición de algunos fenómenos físicos especiales, habrá un fenómeno sorprendente de "usar cosas pequeñas para hacer que sucedan grandes cosas".
Y esta es la especialidad de la ***vibración, porque la ***vibración es buena para "almacenar energía". Aunque el impacto instantáneo de cada bit de energía no es una preocupación, se acumulará. hasta cierto punto, imparable.
La *** vibración de la acumulación de fuerza
¿Aún recuerdas el principio del reloj de péndulo? No importa cuán grande sea la amplitud de la oscilación, el tiempo consumido en un ciclo es el mismo cuando se golpea un objeto duro, la frecuencia del sonido es fija sin importar qué tan fuerte se golpee, lo que todo apunta a la conclusión de que el movimiento; o la vibración del objeto es un "atributo innato". No importa cuál sea la fuerza externa al principio, siempre que se le permita moverse libremente (vibrar), se convertirá en un valor sin cambios, este es innato. El atributo es la "frecuencia natural".
Cuando un objeto vibra a la frecuencia natural, la pequeña deformación continua permite que la energía realice el ciclo de "energía potencial molecular → energía cinética → energía potencial molecular". Si no hay intervención, esta energía eventualmente se disipará en la energía térmica de la fricción atómica y la energía del sonido; pero ¿qué pasará si la energía se ingresa de acuerdo con el ciclo de vibración y se empuja cada vez que se deforma?
El resultado es que además de la disipación de la energía térmica y del sonido, ¡el exceso de energía se ahorra y se convierte en una vibración mayor! Esto es sorprendentemente similar a la experiencia de empujar en un columpio. Sólo empujar cuando una persona se está deslizando hacia abajo puede ahorrar esfuerzo y eficiencia. Si empuja al azar, el resultado a menudo será que la fuerza utilizada esta vez anule la fuerza utilizada la última vez. , y tus esfuerzos son en vano.
Entonces, cuando el ejército subió al puente de piedra con pasos prolijos, debido a pura coincidencia, la frecuencia natural del puente era muy cercana a la frecuencia de los pasos, por lo que se ahorró parte de la energía de cada paso. Y se convirtió en más energía. La deformación a gran escala finalmente destruyó un puente de piedra sólida que podía soportar 10 veces el peso de las tropas en el puente.
Siempre es difícil protegerse contra la vibración
El diseño de los puentes modernos a menudo tiene en cuenta el factor de vibración. Por lo general, la cadencia no vibrará con el cuerpo del puente, sino los peligros de la vibración. Todavía son difíciles de proteger. Por ejemplo, el puente Tacoma Narrows, que se abrió al tráfico en 1940, vibró y se derrumbó bajo el golpe de la brisa apenas cuatro meses después de su puesta en funcionamiento. Por supuesto, esto fue hace 80 años. El accidente ocurrió. Los proyectos de construcción de puentes actuales ya cuentan con un mecanismo completo para resistir el viento y las vibraciones, y la amenaza causada por el viento y las vibraciones es cada vez menor.