“风动石”的奇妙力学稳定性



《力学园地》编辑部老师:您好!我是一名旅游爱好者。4月份到福建旅游,见识到东山奇景:风动石。大风吹来时,石体左右晃动,摇摇欲坠却始终安然无恙。听当地人讲,1918年,东山岛发生7.5级地震,山石滚落,屋倒人亡,可风动石却安然无恙。期待编辑部专家帮我答疑解惑:风动石为何具有如此的稳定性?

一名旅游爱好者

“风动石”的奇妙力学稳定性

风动石的奇妙之处就在于它前后左右重量平衡极佳,狂风吹来时,石体左右晃动,但倾斜到一定角度就不会再动了,故为风动石。 为什么风动石会风吹石动摇摇欲坠,但又不会跌落悬崖?这要从力学稳定性的概念来分析。

稳定性概念最清楚的例子来自质点力学,可以由一个圆球位于不同的状态,得到形象的理解。 1 表示重力场中,球在不同形状表面上的状态:图1(a) 是稳定的,圆球在凹面上,当其偏离静止位置时,由于重力引发的阻尼效应,能自己回到原静止位置;图1(b) 是表面为水平的情况,其稳定性是中性的,圆球偏离其原始位置时,仍在水平面上,但一般不会回到原来的静止位置;图1(c) 是不稳定的,圆球在凸表面上时,对其静止位置的微小偏离都会使球继续偏离,远离原静止位置;图1(d) 表示稳定与否取决于扰动强度,圆球对于小扰动稳定,对于大扰动不稳定,这种情况称为条件稳定。

a)稳定 b)中性稳定


c)不稳定 d)条件稳定


东山风动石虽动不倒,可看成是第4 种情况,大风吹来引起的扰动强度仍在条件稳定允许的阈值范围内,所以摇晃后,还会回到原静止位置。同样,1918 年的地震引发的东山风动石的扰动强度也是在条件稳定允许的范围内。



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