煙囪倒下時為啥會凌空折斷？從有趣現象揭秘拖車的死亡搖擺 【萌萌戰隊】

很多人在觀看煙囪定向爆破的視頻時 都會納悶 爲什麼煙囪在傾斜中會凌空折斷呢? 爆破只是炸斷了根部 其餘完好無損 但在下落中卻受到了很大的彎矩並折斷 那麼這股力量是從哪來的呢? 本期我們就來研究這種 十分重要的煙囪半空折斷現象 之所以重要 是因爲一些在路上好端端行駛的半掛拖車 會毫無預兆地突然進入死亡搖擺 經常使車主創業未辦而中到崩除 這種事故其實就和煙囪的空中折斷現象有關 爲一探究竟 我們來到一處黑磚窯 有歹徒在此修建了一高一矮兩根菸囪 隨着執法人員引爆炸藥 煙囪根部被炸斷 從坍塌過程看 很明顯矮的煙囪比高的倒下更快一些 我們不妨回想高中學過的角動量定理 煙囪繞根部旋轉的重力矩M 等於煙囪的旋轉角動量L隨時間T的變化率 而這裏的角動量又是煙囪的轉動觀量J 那麼此處角動量對時間求導 也就表示力矩等於轉動觀量乘角加速度 既然如此 那麼觀察正在倒下的煙囪 發現它離地越高 則轉動觀量就越大 並且高度增加時 轉動觀量的增速超過了力矩的增速 導致角加速度越來越小 所以越靠近頂端的部分 位移就會越之後 使得煙囪在下落中受到了彎矩而被折斷 但是這一原理和半掛拖車的死亡搖擺有什麼關係呢 說到拖車的死亡搖擺 有人在跑步機上拴着汽車模型進行觀察 發現拖車的配重靠前時 一旦受到擾動使車身出現偏斜 就可立即回正 當拖車的配重稍微後移 再次擾動發現 回正速度稍許變慢 擺動次數增加 但依然能安全行駛 繼續後移配重 輕微擾動就會使牽引車和拖車一起發散搖擺 持續震盪起來 可想而知 真正的牽引車一旦進入這樣的死亡搖擺 震幅會快速增大 結果往往是失控翻車 爲了進一步研究 我們來到公路上 正好有位老鐵開着電動汽車出遠門 爲增加航程 他專門拖了一臺大號發電機邊走邊衝 從俯視角度觀察 當牽引車快速變道時 尾部的掛鉤舌頭會帶動拖車偏航 導致拖車輪胎和前進方向形成側滑角 出現了和胎臂垂直的側向抓地力 這股力量對掛鉤產生了回正力矩M 根據前面總結的公式 回正力矩等於拖車對掛鉤的轉動慣量 乘以回正的角加速度 可見當發電機在顛簸中不斷後移時 整個拖車對掛鉤的轉動慣量就會越來越大 使回正的角加速度減小 因此當整個拖車重心比較靠前時 牽引車突然變道 拖車就能靠較大的角加速度 快速跟隨牽引車橫向偏移 幾乎同步完成變道 如果拖車重心向後移動一定距離 則回正角加速度有所減小 當牽引車完成變道時 拖車因些許遲滯還在繼續偏移 於是通過掛鉤對牽引車尾部 施加了較小的側向推力 此時司機感覺變道時 車尾出現了輕微搖擺 但握緊方向盤依然能安全行駛 又過了一會兒 發電機被顛得後移了較大距離 造成拖車的回正角加速度顯著減小 當牽引車已經完成變道時 拖車則由於回正過度遲滯 而出現較大偏斜 以較強力度對回正的牽引車尾部施加推力 此時司機發現變道後回方向時 汽車出現了轉向過度 竟然衝向旁邊車道 於是又大幅反向修正至車身搖擺加劇 這讓跟隨不及的拖車 反覆橫推前車 如此一來 在拖車的擾動下 司機的過度修正就和汽車的過度轉向 形成了人機偶合震盪 震幅越來越大 可見拖車重心位置是影響穩定性的重要因素 根據美國汽車工程師協會的建議 當拖車重心位於最佳區間時 掛鉤舌頭所承擔的重量 應該在總拖曳重量的10%到15%之間 如拖車重心過於靠前 則又角網過正 使牽引車被壓的翹頭 前輪抓地力減弱 因此上路前複習一下角動量定理 並確保掛鉤舌頭重量合適 是避免拖車死亡搖擺的有效手段