Вибрация — механические колебания тел¶

Вибрация — механические колебания твёрдых тел, при которых частицы тела совершают колебательные движения вокруг положения равновесия. Термин происходит от латинского vibratio — «колебание, дрожание». Вибрация является частным случаем механических колебаний и распространяется в упругих средах в форме волн. Явление изучается в курсе теоретической механики, сопротивления материалов, акустике и машиностроении.

¶Физическая природа

Вибрация возникает при наличии источника возмущения (силы, нарушающей равновесие) и упругой среды, стремящейся вернуть систему в исходное положение. Основные параметры вибрации:

• Амплитуда — максимальное отклонение частицы от положения равновесия, измеряется в метрах (или долях метра: микрометры, миллиметры).
• Частота — число колебаний в единицу времени, измеряется в герцах (Гц).
• Период — время одного полного колебания, измеряется в секундах.
• Фаза — состояние колебательной системы в данный момент времени.

По характеру изменения во времени различают:

• Свободные (собственные) колебания — возникают после единичного возмущения и происходят с собственной частотой системы.
• Вынужденные колебания — поддерживаются периодической внешней силой.
• Автоколебания — возникают в системах с источником энергии и нелинейным элементом (например, в скрипичной струне).

По закону изменения амплитуды: затухающие, незатухающие (гармонические), с нарастающей амплитудой. По форме: гармонические (синусоидальные), сложные (периодические, но не синусоидальные), апериодические (непериодические).

¶Вибрация в технике

В машиностроении и строительстве вибрация считается нежелательным явлением, приводящим к:

• усталостному разрушению деталей и конструкций;
• ослаблению резьбовых и болтовых соединений;
• повышенному износу подшипников и трущихся поверхностей;
• снижению точности обработки на станках;
• шуму и дискомфорту для персонала.

Источниками вибрации в технике являются дисбалансы вращающихся масс (роторы, колёса, валы), ударные процессы (поршневые двигатели, молоты), турбулентность потоков, резонансные явления. Для борьбы с вибрацией применяют:

• виброгасители — устройства, снижающие амплитуду колебаний (массовые гасители, вязкие демпферы);
• виброизоляторы — упругие элементы, отделяющие вибрирующий агрегат от основания (резиновые подушки, пружины, пневмоопоры);
• динамические вибродемпферы — системы, гасящие колебания за счёт противофазных колебаний собственной массы.

Измерение вибрации выполняется с помощью виброметров, акселерометров и пьезоэлектрических датчиков. В России параметры вибрационного воздействия на оборудование и людей регламентируются стандартами ГОСТ и санитарными нормами (СанПиН).

¶Вибрация и человек

Организм человека чувствителен к вибрации в широком диапазоне частот. Наиболее опасной считается вибрация частотой 1–1000 Гц, близкой к собственным частотам внутренних органов (4–8 Гц — резонанс туловища, 20–30 Гц — резонанс головы). Различают:

• общую вибрацию — передаётся на организм через опорные поверхности (сиденье, пол) при нахождении человека в транспортном средстве или на рабочем месте;
• локальную вибрацию — передаётся через руки при работе с вибрирующим инструментом (перфоратор, отбойный молоток, ручная шлифмашина).

Длительное вибрационное воздействие вызывает вибрационную болезнь — комплекс нарушений со стороны сосудов (синдром «белых пальцев»), нервной системы, опорно-двигательного аппарата. В СССР и России вибрационная болезнь включена в перень профессиональных заболеваний.

¶Вибрация в природе и живых организмах

Вибрация играет важную роль в биологии. Некоторые животные используют вибрационную сигнализацию: пауки-скакуны воспринимают колебания паутины, пчёлы передают информацию о расположении корма вибрациями сот, термиты общаются ударами головы о стенки хода. Электрические рыбы генерируют электрические импульсы, акустически сопровождаемые вибрациями тела.

В геологии вибрациями сопровождаются землетрясения, извержения вулканов, обвалы. Сейсмографы регистрируют вибрации грунта, вызванные различными природными и техногенными источниками.

¶Вибрация в электротехнике

В электротехнике термин «вибрация» используется переносно для обозначения периодических колебаний электрических величин (токов, напряжений), а также механических колебаний элементов электрических аппаратов — контактов реле, трансформаторных баков (так называемый «гул» трансформатора, вызванный магнитострикцией сердечника).

¶Применение вибрации

Вибрация используется и как полезный инструмент:

• вибрационное уплотнение бетона — удаление воздушных пузырей из свежей смеси;
• вибрационные сита и питатели — для сортировки и транспортировки сыпучих материалов;
• вибрационные дробилки — в горной промышленности;
• ультразвуковая вибрация — в медицине (диагностика, физиотерапия) и технике (ультразвуковая сварка, очистка);
• вибрационные массажёры — в медицине и спорте.

¶История изучения

Первые научные работы по механическим колебаниям принадлежат Галилео Галилею (проблема маятника, XVII век). Развитие теории вибрации связано с именами Леонарда Эйлера (теория струны), Даниила Бернулли (обобщённые колебания), Огюстена Френеля (оптическая вибрация света). В XX веке вибрационная теория получила развитие в работах И. В. Мешерского, С. П. Тимошенко и других учёных.

¶Исторические источники

• Тимошенко С. П. «Колебания в инженерном деле»
• Пузырёв В. А. «Вибрация в технике»
• ГОСТ 12.1.012-2004 «Вибрационная безопасность. Общие требования»
• СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические нормативы»