为什么很多机械设备出现故障后,敲一敲就莫名其妙地好了?

为什么很多机械设备出现故障后,敲一敲就莫名其妙地好了?

知乎用户,云行雨施,品物流形

回答这个问题,需要从抽象的角度理解:大部分机械结构都处于稳定平衡态,所以在噪声(敲一敲)的作用下,会回到平衡态(设计状态)。

我们讨论稳定平衡的时候,都会要问一个问题:这是在什么变量空间下的平衡?

一个球,在锅底稳定平衡,那是在真实空间上的平衡,也就是

发生变化的时候,也能平衡。

上图就是三种平衡态,其中 c 就是稳定平衡,而 b 就是不稳定平衡。它们之间的差别在于:稳定平衡在外界扰动之后,是可以回到原先状态的;而不稳定平衡则不会,比如 b 中的球就会坠落山下。

而这里说的机械结构,对应的空间则更大,是描述机械形状的空间。你可以这样理解:空间中的每一个点都对应一个机械结构,两点之间的距离则代表了变化的差异。这个空间是无穷维的。

如果有一点点变化的话,那在这个空间里看,机械所处的位置就发生了一个微小的变化。

对于大部分的物体,比如就是铁棍吧,弯了一点点,它一定会有恢复的力。也就是一个负反馈。

从能量的角度看,只要不是范性形变,那在这个无穷维空间的大部分位移都会增加系统的能量。

从而可以认为这个系统是稳定平衡的。

再用一张图来解释「敲一敲」这个过程:

举个例子,如果两个齿轮这样卡在了一起:

我们称之为「故障状态」,那么这个形变就会带来弹性势能的增加,所以在很多变化的维度上(比如齿轮旋转),这个状态是不稳定的只要敲一敲,齿轮发生了微小的旋转,那它立刻就会回到低能态(也就是正常状态)。

那么为什么说,大部分机械结构,都处于稳定平衡的状态呢?因为微扰是不可避免的,只有稳定平衡才是实用的状态。

然后就是另一个问题了,为什么有的结构,敲一敲就不行了呢?比如软件出了 bug、文件损坏了,为什么就不能用这个方法了呢?

有三点可能:

  1. 文件的「损坏」状态,对应的能量并不比未损坏的状态高。所以在微扰下不会自发回到某个状态;
  2. 「敲一敲」的能量太低了,不足以在那么小的尺度上引发变化。
  3. 有的虽然是机械结构,但敲击引发的噪声只能影响少部分维度。也就是敲击对应的震动模式并不能影响到很多维度,而能影响到的维度则不是稳定平衡。

补充一点,从控制论的角度看,大部分机械结构在极少数特定的维度上,其能量曲线是非常平的。这是为了保证机械结构对外界能够做出反应。但这与一开始说的并不矛盾,因为这只是少数几个维度。