[科普中国]-扭波

扭波不同于传统的纵波和横波，它是把物体从内部扭散扭扭断，随即垂直坠落，造成巨大的破坏。

基本信息关于唐山地震七大谜团与地震扭波之说：

当时唐山地震烈度为11度，唐山市的厂房和住宅几乎全被破坏，而有一些建筑却完好如初。

现象一：所有的树木、电线杆直立如初，均未直接受害。例如唐山市内65米高的微波转播塔巍然屹立于大片废墟之中，而且震后两个微波塔仍可直接、准确传播电视信号。

现象二：唐山的人防坑道除个别有小裂纹外，其他均未受到破坏。

现象三：在唐山地震中死伤的人中没有人直接死于震动，绝大部分是因为建筑物坍塌受害。

现象四：唐山地震后，除个别地区受采空区坍塌或其他影响出现局部起伏外，绝大部分地面、路面完全如震前，很少出现波浪起伏现象。

现象五：唐山启新水泥厂的一栋三层库房，一楼二楼基本完好，三楼的所有窗柱却全部断裂。而且旋转方向和角度各不相同，现存旋转角度最大的一个右旋40度，旋转角度更大的当时即已脱落。

现象六：建筑体的破坏尤其是砖石结构和水泥制件的破坏一般都是分段裂开四面开花崩塌。整体歪斜的现象很少。

现象七：唐山公安学校有3栋3层楼房。形状相同，相互间隔10米平行排列。在地震中南面一栋完全塌平，中间一栋只是部分散落。而即使在一栋房中有的是第一层破坏比较严重，有的是第二层，有的是第三层。为什么同一区的受震程度会如此偏差？

解开谜团过去的地震学理论认为地震波分为纵波、横波两种，地震破坏主要是横波造成的。可是，如此理论根本无法解释在唐山地震现场发现的种种现象。

理由一：根据横波破坏原理，高的建筑物（重心较高）在地震破坏对象中首当其冲。

理由二：在地震现场考察中发现地震断裂均具有旋转性，而纵波、横波的震动是没有旋转性的。

理由三：不论横波还是纵波，它们的传播都是连续的，强度是渐变的，从震中向外逐渐衰减。因为，在此同一震区内，同样的建筑物受破坏程度大致相同。可是在唐山地震中出现并非如此。

根据对震波的应变分析，人们发现扭波才是地震破坏的元凶。1979年，在南京地震学会年会上，《扭波与抗震》这篇论文，引起与会者的一阵轰动。在1996年第31届国际地质大会上，其以扭波为主题的发言也引起了代表们的注意。

扭波与纵波和横波乃“同卵三胞胎”，其中纵波传播速度最快，其次为横波，最后为扭波。纵波使物体产生上下震动，横波使物体前后摆动，两者的破坏都不大。但是，扭波一到，则把物体从内部扭散扭断，随即垂直坠落，造成巨大破坏。有了扭波，在唐山地震现场发现的怪异现象全部迎刃而解了。1

扭波的证明与抵御扭波的证明1976年7月28日唐山发生7.8级强烈地震，震后经对唐山震害进行了大量实地考察，发现花草树木、电线杆和65米高的微波塔等线形物体都不倒，烟囱、窗柱和房柱皆旋扭后断裂，房屋不是倾倒，多是铅直趴架，均与当时的教科书和地震烈度表相悖，因此有进一步研究的必要，通过对唐山震害的观察，结合其他地震破坏资料，总结出地震破坏的10个基本规律。

1、裂开旋扭同时并存； 2、断裂两盘不受伤害；

3、破坏形式如同老化； 4、间隔破坏轻重分带；

5、四面开花铅直坠落； 6、地下建筑保存完好；

7、地面平坦起伏罕见； 8、线性物体直立如初；

9、钢筋铁架抗震最佳； 10、人体抗震胜过大厦。

这10项基本规律绝大部分不能用纵波、横波或所谓的面波进行解释，通过应力分析，1979年发现了扭波,扭波是万向波，产生万向地震动，将物体从内部扭断扭散，也可以合成巨大的扭力矩，将整个物体扭断。因此，地震体波有3种，除纵波和横波而外，还有扭波，地震破坏主要是扭波造成的，都是扭断的。2006年科学家发明并制造了“地震扭波破坏模拟实验仪”(简称扭仪)。他们在扭仪上可以模拟扭波的产生、传播和对物体破坏的全过程，模拟结果与地震破坏实例和地震破坏实况录像完全一致。建筑物必须针对扭波设防抗震，才能经济、安全、有效。为此科学家在二十年前就提出采取：截波；加箍；结牢；加筋；地下；活端、轻质；底小等8项措施。按8项措施设防抗震，遇特大地震地可以不死人。

在当代，根据横波理论设计，一旦地震来临，建筑物照样倒塌。比如阪神地震中的高架公路，钢筋水泥连成一体，日本人认为是最抗震的设计，可是全部倒塌了。美国有个纪录片叫《地牛翻身》，解说词说：“高架公路的倒塌，使全世界的工程师感到恐慌，不知怎的，这种道路竟然还是不堪一击。”

按照扭波理论，就很容易理解为什么高架公路首先遭到破坏。扭波是扭动破坏的，合成一个很大的扭力矩，扭力矩的大小与它的长度成正比，长长的高架公路会产生极大的扭力矩。所以说，高架公路边的房子可能不被破坏，但高架公路首先被破坏。

唐山启新水泥厂5个水泥仓连在一起，是钢筋水泥浇注的。这个庞大建筑物够结实吧，地震一来，水泥仓全部趴架。按照纵波、横波来讲，钢筋水泥浇注的根本不应该坏，可它不但坏了，还彻底趴架了。5个水泥仓连在一起，合成了一个巨大的扭力矩，把56根0.5米见方的水泥支柱从柱顶全部扭断。2

扭波的抵御5个水泥仓跟地基不连接。这个办法是老祖宗发明的石柱础。石柱础活端可以消扭。中国的宫殿、庙宇、木塔和穿斗木结构民房，其竖柱、横梁、榫结连成一个整体，平放在石柱础上，具有非凡的抗震能力。

我们的老祖宗知道石柱础的作用，几乎所有的宫殿、庙宇都是这样设计的。你看溧阳民房的图片，大都是穿斗木结构，平置于石柱础上，墙体只起围护作用。地震后前沿墙坍塌，但房架仍然完好。当代建筑没有石柱础，有的为了好看搞个假石柱础，钢筋水泥立柱与地基连接一体。看着牢固，大地震一来先从根部切断。

北京故宫和南京明故宫是明朝建筑，全都是石柱础。石柱础本身不绝对抗震，还要遵循三个基本原则和八项措施。譬如说，房架必须榫结牢固等。

防扭抗震的三个基本原则：一是阻止扭波进入；二是消耗扭波；三是增强抗扭能力。八项措施是：截波、加箍、结牢、加筋、地下、空端、底小、轻质。

比如“截波”，扭波只能由固体传播，而不能通过液体和气体，若将房屋建在轮胎或气垫上，或增加橡胶的应用，可以减免地震破坏。国外也有类似的实验。

又如“加箍”，扭波可使烟囱、房屋四面开花铅直坠落，加箍可防止物体沿竖直薄弱带裂开四面开花。

再如“结牢”，物体加箍后，虽然不再四面开花，但会分层水平旋扭，如果再将它的上下各层相互结牢，则可以防止物体沿水平薄弱带裂开平移脱落。其他各项都有具体阐释，比较复杂。而且各项之间需要根据不同的情况相互配合使用。

扭波理论的发展自从1979年发现扭波理论后，由于经费、人手等原因，更由于扭波理论对传统地震理论的大胆否定，截止到2017年，扭波理论仍未得到应有的重视。3

扭仪测量传动轴所传递的扭矩的量仪。它由扭力轴和两个光栅圆盘构成。可以测出扭波的大小等。

仿生扭波推进模型航行试验研究仿生机器鱼研究是当前国际与国内学者研究的热点，其中大多数文献以摆尾推进或以鱼体波动推进为研究对象，其典型的生物原型为金枪鱼或鳗鲡。人们开始关注一种依靠长背鳍或长腹鳍扭转波实现推进与机动控制的仿生学研究，其生物学原型是尼罗河魔鬼鱼(具有一条长背鳍)以及美洲黑魔鬼刀鱼(具有一条长腹鳍)。以尼罗河魔鬼鱼为例，其长背鳍有200多根鳍条，鳍条间由柔性薄膜连接，在巡游时鳍条左右摆动，通过控制鳍条间的相位延迟形成扭转行波。对活鱼的观测表明：尼罗河魔鬼鱼的鳍条摆角达±90°，通常呈现约3个波长的行波；通过控制鳍条摆动的相位，尼罗河魔鬼鱼可以迅速改变行波的传播方向，实现前进与后退的转换，而不必经过掉头转向过程就能改变运动方向，而且还可以通过控制鳍条摆动的相位，使整条长鳍分成前后两段，在前后段上行波相向而行后再相背而行，观测表明：尼罗河魔鬼鱼通过这种方式能实现悬停、就地转弯等机动控制。这些特性都是普通的摆尾推进或以鱼体波动推进的鱼类所不具备的。正是这些独特的性能吸引了国内外许多研究者开展对长鳍扭波推进仿生学机理与应用的研究，并期望能开发一种依靠扭波推进与机动控制的仿生水下航行器，使它具有超级机动性能、仿生隐蔽性以及高能量利用效率等螺旋桨推进所不具有的特性，在特种任务中发挥重要作用。

实验模型仿生扭波推进的实验模型如图1所示。模型的主体近似为一圆柱体，其有机玻璃壳罩的直径D=100 mm；模型两端为回转椭球形，模型总长度L一1250 mm。仿生长鳍共包含97根不锈钢丝制作的鳍条。鳍面由天然橡胶制成，高度H=50 mm，长度L0=808 mm；实验模型包含25个鳍条驱动单元，间距为32 mm。模型两端回转椭球头内部各安装一台低速同步电机，通过一根垂为8 mm的不锈钢轴驱动各单元转动，带动鳍条摆动。低速同步电机由220 V变频电源供电，变频电源频率在o～80 Hz连续可调，标称输出功率为80 W。实验测量验证了该电机的转速与电源频率成正比关系，扭波频率v与电源频率．厂的关系为v=0.0767f。电机的水密处理极其重要，因此对电机作了密封处理，并对转轴作了双。型固件密封处理。试验表明：其密封绝缘性能良好。由于模型是用金属制成的，扭波驱动器本身的平均比重大于水，为开展航行试验，在模型上配置了浮力筒使模型能悬浮于水中。对活体尼罗河魔鬼鱼的观测表明：在通常的巡游状态下，背鳍扭波波数约为2.5～3，鳍条摆幅接近±90°，相对变化较小。

速与扭波频率的关系航行试验在游泳池中进行，为了方便现场测量，试验时在适当的高度上架设张紧的细绳导引模型的运动。导引细绳上有尺度标记，用于记录航行位置。由于模型前后是对称的，只要改变同步电机的转动方向，即改变扭波的传播方向，模型便可以实现前进与后退的转换。

设置变频电源的工作频率，使实验模型有足够距离从静止状态加速到稳定的匀速状态，然后从预先标记的起始点开始计时，记录下航行10 m所需时间，即可测得该驱动频率(扭波波速)对应的航行速度。为消除偶然误差，对每个驱动频率测三组以上数据取平均。对电源频率f=10～40 Hz(间隔5 Hz)进行测试，测得实验模型在不同频率下的航行速度随鳍条摆动频率v(即扭波频率)的变化曲线如图2所示。

分析与结论文中开展了仿生扭波推进模型水池航行试验，测得该模型航行速度与扭波频率成正比，即Vocv，这一结果与活体尼罗河魔鬼鱼观测结果一致。借助DV录像观测，笔者发现扭波频率较低、水动力没有超出鳍面的强度极限、鳍面被动变形较小、背鳍波形维持为类简弦波时，无论是尼罗河魔鬼生物原型还是本文仿生试验模型这一结论均普遍成立。

文中提出了间接测量扭波推进鳍面推水功率的实验方法，测得在频率v