扭波

扭波不同於傳統的縱波和橫波，它是把物體從內部扭散扭扭斷，隨即垂直墜落，造成巨大的破壞。

基本介紹

• 中文名：扭波
• 外文名：Torsion wave
• 事例：唐山地震七大謎團與地震扭波
• 特徵：10個基本規律
• 定義：把物體從內部扭散扭扭斷

基本信息

關於唐山地震七大謎團與地震扭波之說：

當時唐山地震烈度為11度，唐山市的廠房和住宅幾乎全被破壞，而有一些建築卻完好如初。

現象一：所有的樹木、電線桿直立如初，均未直接受害。例如唐山市內65米高的微波轉播塔巍然屹立於大片廢墟之中，而且震後兩個微波塔仍可直接、準確傳播電視信號。

現象二：唐山的人防坑道除個別有小裂紋外，其他均未受到破壞。

現象三：在唐山地震中死傷的人中沒有人直接死於震動，絕大部分是因為建築物坍塌受害。

現象四：唐山地震後，除個別地區受採空區坍塌或其他影響出現局部起伏外，絕大部分地面、路面完全如震前，很少出現波浪起伏現象。

現象五：唐山啟新水泥廠的一棟三層庫房，一樓二樓基本完好，三樓的所有窗柱卻全部斷裂。而且旋轉方向和角度各不相同，現存旋轉角度最大的一個右旋40度，旋轉角度更大的當時即已脫落。

現象六：建築體的破壞尤其是磚石結構和水泥製件的破壞一般都是分段裂開四面開花崩塌。整體歪斜的現象很少。

現象七：唐山公安學校有3棟3層樓房。形狀相同，相互間隔10米平行排列。在地震中南面一棟完全塌平，中間一棟只是部分散落。而即使在一棟房中有的是第一層破壞比較嚴重，有的是第二層，有的是第三層。為什麼同一區的受震程度會如此偏差？

解開謎團

過去的地震學理論認為地震波分為縱波、橫波兩種，地震破壞主要是橫波造成的。可是，如此理論根本無法解釋在唐山地震現場發現的種種現象。

理由一：根據橫波破壞原理，高的建築物（重心較高）在地震破壞對象中首當其衝。

理由二：在地震現場考察中發現地震斷裂均具有旋轉性，而縱波、橫波的震動是沒有旋轉性的。

理由三：不論橫波還是縱波，它們的傳播都是連續的，強度是漸變的，從震中向外逐漸衰減。因為，在此同一震區內，同樣的建築物受破壞程度大致相同。可是在唐山地震中出現並非如此。

根據對震波的應變分析，人們發現扭波才是地震破壞的元兇。1979年，在南京地震學會年會上，《扭波與抗震》這篇論文，引起與會者的一陣轟動。在1996年第31屆國際地質大會上，其以扭波為主題的發言也引起了代表們的注意。

扭波與縱波和橫波乃“同卵三胞胎”，其中縱波傳播速度最快，其次為橫波，最後為扭波。縱波使物體產生上下震動，橫波使物體前後擺動，兩者的破壞都不大。但是，扭波一到，則把物體從內部扭散扭斷，隨即垂直墜落，造成巨大破壞。有了扭波，在唐山地震現場發現的怪異現象全部迎刃而解了。

扭波的證明與抵禦

扭波的證明

1976年7月28日唐山發生7.8級強烈地震，震後經對唐山震害進行了大量實地考察，發現花草樹木、電線桿和65米高的微波塔等線形物體都不倒，煙囪、窗柱和房柱皆旋扭後斷裂，房屋不是傾倒，多是鉛直趴架，均與當時的教科書和地震烈度表相悖，因此有進一步研究的必要，通過對唐山震害的觀察，結合其他地震破壞資料，總結出地震破壞的10個基本規律。

1、裂開旋扭同時並存； 2、斷裂兩盤不受傷害；

3、破壞形式如同老化； 4、間隔破壞輕重分帶；

5、四面開花鉛直墜落； 6、地下建築保存完好；

7、地面平坦起伏罕見； 8、線性物體直立如初；

9、鋼筋鐵架抗震最佳； 10、人體抗震勝過大廈。

這10項基本規律絕大部分不能用縱波、橫波或所謂的面波進行解釋，通過應力分析，1979年發現了扭波,扭波是萬向波，產生萬向地震動，將物體從內部扭斷扭散，也可以合成巨大的扭力矩，將整個物體扭斷。因此，地震體波有3種，除縱波和橫波而外，還有扭波，地震破壞主要是扭波造成的，都是扭斷的。2006年科學家發明並製造了“地震扭波破壞模擬實驗儀”(簡稱扭儀)。他們在扭儀上可以模擬扭波的產生、傳播和對物體破壞的全過程，模擬結果與地震破壞實例和地震破壞實況錄像完全一致。建築物必須針對扭波設防抗震，才能經濟、安全、有效。為此科學家在二十年前就提出採取：截波；加箍；結牢；加筋；地下；活端、輕質；底小等8項措施。按8項措施設防抗震，遇特大地震地可以不死人。

在當代，根據橫波理論設計，一旦地震來臨，建築物照樣倒塌。比如阪神地震中的高架公路，鋼筋水泥連成一體，日本人認為是最抗震的設計，可是全部倒塌了。美國有個紀錄片叫《地牛翻身》，解說詞說：“高架公路的倒塌，使全世界的工程師感到恐慌，不知怎的，這種道路竟然還是不堪一擊。”

按照扭波理論，就很容易理解為什麼高架公路首先遭到破壞。扭波是扭動破壞的，合成一個很大的扭力矩，扭力矩的大小與它的長度成正比，長長的高架公路會產生極大的扭力矩。所以說，高架公路邊的房子可能不被破壞，但高架公路首先被破壞。

唐山啟新水泥廠5個水泥倉連在一起，是鋼筋水泥澆注的。這個龐大建築物夠結實吧，地震一來，水泥倉全部趴架。按照縱波、橫波來講，鋼筋水泥澆注的根本不應該壞，可它不但壞了，還徹底趴架了。5個水泥倉連在一起，合成了一個巨大的扭力矩，把56根0.5米見方的水泥支柱從柱頂全部扭斷。

扭波的抵禦

5個水泥倉跟地基不連線。這個辦法是老祖宗發明的石柱礎。石柱礎活端可以消扭。中國的宮殿、廟宇、木塔和穿斗木結構民房，其豎柱、橫樑、榫結連成一個整體，平放在石柱礎上，具有非凡的抗震能力。

我們的老祖宗知道石柱礎的作用，幾乎所有的宮殿、廟宇都是這樣設計的。你看溧陽民房的圖片，大都是穿斗木結構，平置於石柱礎上，牆體只起圍護作用。地震後前沿牆坍塌，但房架仍然完好。當代建築沒有石柱礎，有的為了好看搞個假石柱礎，鋼筋水泥立柱與地基連線一體。看著牢固，大地震一來先從根部切斷。

北京故宮和南京明故宮是明朝建築，全都是石柱礎。石柱礎本身不絕對抗震，還要遵循三個基本原則和八項措施。譬如說，房架必須榫結牢固等。

防扭抗震的三個基本原則：一是阻止扭波進入；二是消耗扭波；三是增強抗扭能力。八項措施是：截波、加箍、結牢、加筋、地下、空端、底小、輕質。

比如“截波”，扭波只能由固體傳播，而不能通過液體和氣體，若將房屋建在輪胎或氣墊上，或增加橡膠的套用，可以減免地震破壞。國外也有類似的實驗。

又如“加箍”，扭波可使煙囪、房屋四面開花鉛直墜落，加箍可防止物體沿豎直薄弱帶裂開四面開花。

再如“結牢”，物體加箍後，雖然不再四面開花，但會分層水平旋扭，如果再將它的上下各層相互結牢，則可以防止物體沿水平薄弱帶裂開平移脫落。其他各項都有具體闡釋，比較複雜。而且各項之間需要根據不同的情況相互配合使用。

扭波理論的發展

自從1979年發現扭波理論後，由於經費、人手等原因，更由於扭波理論對傳統地震理論的大膽否定，截止到2017年，扭波理論仍未得到應有的重視。

扭儀

測量傳動軸所傳遞的扭矩的量儀。它由扭力軸和兩個光柵圓盤構成。可以測出扭波的大小等。

仿生扭波推進模型航行試驗研究

仿生機器魚研究是當前國際與國內學者研究的熱點，其中大多數文獻以擺尾推進或以魚體波動推進為研究對象，其典型的生物原型為鮪魚或鰻鱺。人們開始關注一種依靠長背鰭或長腹鰭扭轉波實現推進與機動控制的仿生學研究，其生物學原型是尼羅河魔鬼魚(具有一條長背鰭)以及美洲黑魔鬼刀魚(具有一條長腹鰭)。以尼羅河魔鬼魚為例，其長背鰭有200多根鰭條，鰭條間由柔性薄膜連線，在巡遊時鰭條左右擺動，通過控制鰭條間的相位延遲形成扭轉行波。對活魚的觀測表明：尼羅河魔鬼魚的鰭條擺角達±90°，通常呈現約3個波長的行波；通過控制鰭條擺動的相位，尼羅河魔鬼魚可以迅速改變行波的傳播方向，實現前進與後退的轉換，而不必經過掉頭轉向過程就能改變運動方向，而且還可以通過控制鰭條擺動的相位，使整條長鰭分成前後兩段，在前後段上行波相向而行後再相背而行，觀測表明：尼羅河魔鬼魚通過這種方式能實現懸停、就地轉彎等機動控制。這些特性都是普通的擺尾推進或以魚體波動推進的魚類所不具備的。正是這些獨特的性能吸引了國內外許多研究者開展對長鰭扭波推進仿生學機理與套用的研究，並期望能開發一種依靠扭波推進與機動控制的仿生水下航行器，使它具有超級機動性能、仿生隱蔽性以及高能量利用效率等螺旋槳推進所不具有的特性，在特種任務中發揮重要作用。

實驗模型

仿生扭波推進的實驗模型如圖1所示。模型的主體近似為一圓柱體，其有機玻璃殼罩的直徑D=100 mm；模型兩端為迴轉橢球形，模型總長度L一1250 mm。仿生長鰭共包含97根不鏽鋼絲製作的鰭條。鰭面由天然橡膠製成，高度H=50 mm，長度L₀=808 mm；實驗模型包含25個鰭條驅動單元，間距為32 mm。模型兩端迴轉橢球頭內部各安裝一台低速同步電機，通過一根垂為8 mm的不鏽鋼軸驅動各單元轉動，帶動鰭條擺動。低速同步電機由220 V變頻電源供電，變頻電源頻率在o～80 Hz連續可調，標稱輸出功率為80 W。實驗測量驗證了該電機的轉速與電源頻率成正比關係，扭波頻率v與電源頻率．廠的關係為v=0.0767f。電機的水密處理極其重要，因此對電機作了密封處理，並對轉軸作了雙。型固件密封處理。試驗表明：其密封絕緣性能良好。由於模型是用金屬製成的，扭波驅動器本身的平均比重大於水，為開展航行試驗，在模型上配置了浮力筒使模型能懸浮於水中。對活體尼羅河魔鬼魚的觀測表明：在通常的巡遊狀態下，背鰭扭波波數約為2.5～3，鰭條擺幅接近±90°，相對變化較小。

圖1 仿生扭波推進航行試驗模型

速與扭波頻率的關係

航行試驗在游泳池中進行，為了方便現場測量，試驗時在適當的高度上架設張緊的細繩導引模型的運動。導引細繩上有尺度標記，用於記錄航行位置。由於模型前後是對稱的，只要改變同步電機的轉動方向，即改變扭波的傳播方向，模型便可以實現前進與後退的轉換。

圖2實驗模型游速與鰭條頻率的關係

設定變頻電源的工作頻率，使實驗模型有足夠距離從靜止狀態加速到穩定的勻速狀態，然後從預先標記的起始點開始計時，記錄下航行10 m所需時間，即可測得該驅動頻率(扭波波速)對應的航行速度。為消除偶然誤差，對每個驅動頻率測三組以上數據取平均。對電源頻率f=10～40 Hz(間隔5 Hz)進行測試，測得實驗模型在不同頻率下的航行速度隨鰭條擺動頻率v(即扭波頻率)的變化曲線如圖2所示。

分析與結論

文中開展了仿生扭波推進模型水池航行試驗，測得該模型航行速度與扭波頻率成正比，即Vocv，這一結果與活體尼羅河魔鬼魚觀測結果一致。藉助DV錄像觀測，筆者發現扭波頻率較低、水動力沒有超出鰭面的強度極限、鰭面被動變形較小、背鰭波形維持為類簡弦波時，無論是尼羅河魔鬼生物原型還是本文仿生試驗模型這一結論均普遍成立。

文中提出了間接測量扭波推進鰭面推水功率的實驗方法，測得在頻率v<2.5 Hz、航行速度與扭波頻率成正比範圍內，鰭面推水功率與扭波頻率的三次方成正比。對仿生扭波推進模型水動力測量表明：扭波推進的平均推力正比於頻率的平方。可見，本文實驗結果Vocv及Pocv3與水動力測量結果是自洽的，符合基本的量綱分析關係。本文實驗結果也支持在附加轉動慣量模型基礎上建立的扭波推進大擺幅細長體水動力理論，該理論預測扭波推進鰭面對水的輸出功率與頻率三次方成正比。

綜上所述，文中從仿生扭波推進模型水池航行試驗得到結論如下：①扭波推進航行器的航行速度與扭波頻率成正比。②扭波推進鰭面對水的輸出功率與頻率三次方成正比。③本文上述實驗結果與水動力測量結果(扭波推進平均推力正比於頻率的平方符合基本的量綱分析關係，實驗結論具有一定的普遍性。