週三上午,《工程振動學》教室。
何雨柱今天換了一件深灰色的中山裝。他站在講臺上,看著下面八十多張年輕的面孔——這是大三的專業課,學生們已經有一定的力學基礎了。
“同學們,”他開口,聲音在安靜的教室裡格外清晰,“今天我們不講公式,先看一段影片。”
他示意助教小陳拉上窗簾,開啟投影儀。黑白影片開始播放——畫面是某個大型橋樑的施工現場,工人們在架設鋼樑。突然,畫面切換到另一座橋,那橋正在風中劇烈搖晃,最後轟然倒塌。
教室裡響起一陣低呼。
影片結束,何雨柱開啟燈:“剛才看到的第一座橋,是我們的長江大橋,1960年建成。第二座橋,是美國塔科馬海峽大橋,1940年建成四個月後,在每小時64公里的風速下塌了。”
他在黑板上寫下兩個詞:靜力學、動力學。
“靜力學告訴我們橋能不能立住,動力學告訴我們橋會不會倒。”何雨柱轉身,“塔科馬大橋的靜力學設計完美,但它忽略了一個關鍵的動力問題——顫振。”
他拿起粉筆,在黑板上畫了個簡單的梁模型:“當風以特定速度吹過橋面時,會在橋樑兩側產生週期性的渦旋脫落,這些渦旋會給橋樑施加週期性的力。如果這個力的頻率接近橋樑的固有頻率……”
他在模型上加了一個週期性箭頭:“就會發生共振。振幅越來越大,直到結構破壞。”
教室裡鴉雀無聲,所有學生都盯著黑板。
“那我們怎麼辦?”何雨柱放下粉筆,“兩個思路:第一,改變結構的固有頻率,讓它遠離風的激振頻率。第二,增加阻尼,消耗振動能量。”
他開始詳細講解,從最簡單的單自由度系統講起,逐步擴充套件到多自由度、連續體。複雜的振動方程在他筆下變得條理分明,每一個引數都有明確的物理意義。
“老師,”一個戴眼鏡的男生舉手,“實際工程中,怎麼測量這些頻率?”
“好問題。”何雨柱從公文包裡拿出一個小木盒,開啟,裡面是一個簡單的懸臂樑模型,梁端粘著個小鏡子,“這是我做的教具。用手輕輕撥一下樑——”
他撥動懸臂樑,梁開始振動。小鏡子反射的光點在牆上畫出一道明亮的軌跡。
“看,光點的運動軌跡。我們可以用這個軌跡計算頻率和阻尼比。”何雨柱又拿出一個秒錶,“當然,實際工程中用更精密的儀器。但原理是一樣的。”
學生們圍上來,好奇地看著那個簡易裝置。
“課後你們可以自己做一個。”何雨柱說,“用鋼尺、小鏡子和雷射筆就行。我要你們每人交一份實驗報告——測出不同長度、不同厚度懸臂樑的固有頻率,並與理論值對比。”
教室裡響起一片興奮的議論聲。這才是他們想做的——不是死記硬背公式,而是動手驗證。
課間休息時,幾個學生圍住何雨柱問問題。林墨也在其中,他最近對振動問題特別感興趣。
“老師,”林墨問,“您剛才講的流體-結構耦合振動,在航天器上具體是怎麼應用的?”
“比如火箭的燃料貯箱。”何雨柱在草稿紙上畫示意圖,“液體燃料在貯箱裡晃動,會影響火箭的姿態控制。我們要精確計算這種晃動的頻率和振幅,設計防晃板……”
他講得很細,林墨聽得入神。周圍的學生也湊過來聽,不知不覺就圍了一圈。
“何老師,”一個女生小聲說,“您懂得真多。”
“都是在工程實踐中一點一點積累的。”何雨柱笑笑,“所以你們要記住——力學不是一堆公式,是活生生的工程問題。你學好了,將來就能解決這些問題。”
下半節課,何雨柱講到了更深入的內容——非線性振動。
“當振幅很大時,很多系統會表現出非線性特性。”他在黑板上寫出一個複雜的微分方程,“比如這個杜芬方程,它的解可能非常複雜,甚至出現混沌……”
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