阻尼

阻尼（英語：damping）是指任何振动系统在振动中，由于外界作用（如流體阻力、摩擦力等）和/或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。 在實際振動中，由於摩擦力總是存在的，所以振動系統最初所獲得的能量，在振動過程中因阻力不斷對系統做負功，使得系統的能量不斷減少，振動的強度逐漸減弱，振幅也就越來越小，以至於最後的停止振動，像這樣的因系統的力學能，由於摩擦及轉化成內能逐漸減少，振幅隨時間而減弱振動，稱為阻尼振動。 當阻尼較強時，阻尼振子幾乎沒有振動，振幅逐漸減小，達到穩定平衡，稱為過阻尼。 當阻尼較弱時，阻尼振子必須緩慢的經由多次振動逐漸把振幅減小，最後回到平衡位置，因此達成穩定平衡的時間較久，稱為欠阻尼。 另一種情形是阻尼振子以最平穩的速度，最短的時間達到穩定平衡，稱為臨界阻尼。 “阻尼”源自英语“damping”，其动词形式“damp”意为阻抑、减弱。1933年8月21日至9月2日召开的中央研究院物理研究所第一次名词审查会议上，名词审查委员会主任委员杨肇燫以“尼”字有逐步减阻之义，提出将该词译作“阻尼”而获赞同，自此被采纳而定案。 不同于汉语中“尼”经常作为音译语素的情况（如“比丘尼”“尼龙”“突尼斯”），“阻尼”是用两个同义语素对“damping”进行的意译。 在物理學和工程學上，阻尼的力学模型一般是一个与振动速度大小成正比，与振动速度方向相反的力，该模型称为粘性（或黏性）阻尼模型，是工程中应用最广泛的阻尼模型。粘性阻尼模型能较好地模拟空气、水等流体对振动的阻碍作用。本条目以下也主要讨论粘性阻尼模型。然而必须指出的是，自然界中还存在很多完全不满足上述模型的阻尼机制，譬如在具有恒定摩擦系数的桌面上振动的弹簧振子，其受到的阻尼力就仅与自身重量和摩擦系数有关，而与速度无关。 除简单的力学振动阻尼外，阻尼的具体形式还包括电磁阻尼、介质阻尼、结构阻尼等等。尽管科学界目前已经提出了许多种阻尼的数学模型，但实际系统中阻尼的物理本质仍极难确定。下面仅以力学上的粘性阻尼模型为例，作一简单的说明。 粘性阻尼可表示为以下式子： F = − c v {\displaystyle \mathbf {F} =-c\mathbf {v} } 其中F表示阻尼力，v表示振子的运动速度（矢量），c 是表示阻尼大小的常数，称为阻尼系数，国际单位制单位为牛顿·秒/米。 上述关系类比于电学中定义电阻的欧姆定律。 在日常生活中阻尼的例子随处可见，一阵大风过后摇晃的树会慢慢停下，用手拨一下吉他的弦后声音会越来越小，等等。阻尼现象是自然界中最为普遍的现象之一。 理想的弹簧阻尼器振子系统如右图所示。分析其受力分别有： 弹性力（k 为弹簧的劲度系数，x 为振子偏离平衡位置的位移）： F s = − k x {\displaystyle F_{\mathrm {s} }=-kx} 阻尼力（c 为阻尼系数，v 为振子速度）： F d = − c v = − c x ˙ = − c d x d t {\displaystyle F_{\mathrm {d} }=-cv=-c{\dot {x}}=-c{\frac {dx}{dt}}} 假设振子不再受到其他外力的作用，于是可利用牛顿第二定律写出系统的振动方程： ∑ F = m a = m x ¨ = m d 2 x d t 2 {\displaystyle \sum F=ma=m{\ddot {x}}=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}} 其中a 为加速度。 上面得到的系统振动方程可写成如下形式，问题归结为求解位移x 关于时间t 函数的二阶常微分方程： m x ¨ + c x ˙ + k x = 0 {\displaystyle m{\ddot {x}}+c{\dot {x}}+kx=0} 将方程改写成下面的形式： x ¨ + c m x ˙ + k m x = 0. {\displaystyle {\ddot {x}}+{c \over m}{\dot {x}}+{k \over m}x=0.} 然后为求解以上的方程，定义两个新参量： ω n = k m {\displaystyle \omega _{n}={\sqrt {k \over m}}} ζ = c 2 k m . {\displaystyle \zeta ={c \over 2{\sqrt {km}}}.} 上面定义的第一个参量，ωn，称为系统的（无阻尼状态下的）固有频率。 第二个参量，ζ，称为阻尼比。根据定义，固有频率具有角速度的量纲，而阻尼比为无量纲参量。 微分方程化为： x ¨ + 2 ζ ω n x ˙ + ω n 2 x = 0. {\displaystyle {\ddot {x}}+2\zeta \omega _{n}{\dot {x}}+\omega _{n}^{2}x=0.} 系统的行为由上小结定义的两个参量——固有频率ωn和阻尼比ζ——所决定。特别地，上小节最后关于 γ {\displaystyle \gamma } 的二次方程是具有一对互异实数根、一对重实数根还是一对共軛複數根，决定了系统的行为。 当 ζ = 1 {\displaystyle \zeta =1} 时， γ   {\displaystyle \gamma \ } 的解为一对重实根，此时系统的阻尼形式称为临界阻尼。现实生活中，许多大楼内房间或卫生间的门上在装备自动关门的扭转弹簧的同时，都相应地装有阻尼铰链，使得门的阻尼接近临界阻尼，这样人们关门或门被风吹动时就不会造成太大的声响。 当 ζ > 1 {\displaystyle \zeta >1} 时， γ   {\displaystyle \gamma \ } 的解为一对互异实根，此时系统的阻尼形式称为过阻尼。当自动门上安装的阻尼铰链使门的阻尼达到过阻尼时，自动关门需要更长的时间。如記憶枕。 当 0 < ζ < 1 {\displaystyle 0<\zeta <1} 时， γ   {\displaystyle \gamma \ } 的解为一对共轭虚根，此时系统的阻尼形式称为欠阻尼。在欠阻尼的情况下，系统将以圆频率 ω d = ω n 1 − ζ 2 {\displaystyle \omega _{\mathrm {d} }=\omega _{n}{\sqrt {1-\zeta ^{2}}}} 相对平衡位置作往复振动。 对于欠阻尼体系，运动方程的解可写成： x ( t )   =   A e − ζ ω n t cos ⁡ ( ω d t + φ ) {\displaystyle x(t)\ =\ Ae^{-\zeta \omega _{n}t}\cos(\omega _{\mathrm {d} }t+\varphi )} 其中 ω d = ω n 1 − ζ 2 {\displaystyle \omega _{\mathrm {d} }=\omega _{n}{\sqrt {1-\zeta ^{2}}}} 是有阻尼作用下系统的固有频率，A 和φ 由系统的初始条件（包括振子的初始位置和初始速度）所决定。该振动解代表的是一种振幅按指数规律衰减的简谐振动，称为衰减振动（见上图中 ς < 1 {\displaystyle \varsigma <1} 的位移-时间曲线所示）。 对于临界阻尼体系，运动方程的解具有形式 x ( t )   =   ( A + B t ) e − ω n t {\displaystyle x(t)\ =\ (A+Bt)e^{-\omega _{n}t}} 其中A 和B 由初始条件所决定。该振动解表征的是一种按指数规律衰减的非周期运动。 对于过阻尼体系，定义 ω ∗ = ω n ζ 2 − 1 {\displaystyle \omega ^{*}=\omega _{n}{\sqrt {\zeta ^{2}-1}}} 则运动微分方程的通解可以写为： x ( t ) = A e λ 1 t + B e λ 2 t {\displaystyle x(t)=Ae^{\lambda _{1}t}+Be^{\lambda _{2}t}} 其中A 和B 同样取决于初始条件，λ1與λ2為特徵方程式的兩個相異實根。该振动解表征的是一种同样按指数规律衰减的非周期蠕动。从上面的位移-时间曲线图中可以看出，过阻尼状态比临界阻尼状态蠕动衰减得更慢。对于临界阻尼状态，振子可能越过平衡位置至多一次，而过阻尼状态下振子不会越过平衡位置。 阻尼比 共振 簡諧運動 RLC電路 振動 有阻尼的弦波 等阻尼 倪振华编著，《振动力学》，西安交通大学出版社，西安，1990，ISBN 7-5605-0212-1 R. W. Clough, J. Penzien, Dynamics of Structures, Mc-Graw Hill Inc., New York, 1975, ISBN 0-07-011392-0。（中文版：R.W.克拉夫，J.彭津著，王光远等译，《结构动力学》，科学出版社，北京，1981） 阻尼諧振子 Java 模擬 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 阻尼正比於速度或固體接觸面摩擦 《爾雅·釋詁下》：“尼，定也。”郭璞注：“尼者，止也，止亦定。”《玉篇·尸部》：“尼，止也。” 存档副本. [2019-01-20]. （原始内容存档于2019-01-21）.  钱临照. 物理学名词审定的早期工作——怀念杨肇燫、陆学善. 中国科技术语. 1988-06-15, 0 (01): 4. ISSN 1673-8578.