RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Podobne dokumenty
Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Podstawy fizyki wykład 7

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Plan wykładu. Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne. Oscylator harmoniczny Przykłady zastosowań. dr inż.

Wykład 6 Drgania. Siła harmoniczna

Siła sprężystości - przypomnienie

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

m Jeżeli do końca naciągniętej (ściśniętej) sprężyny przymocujemy ciało o masie m., to będzie na nie działała siła (III zasada dynamiki):

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Wykład FIZYKA I. 9. Ruch drgający swobodny

Wykład FIZYKA I. 9. Ruch drgający swobodny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

ver b drgania harmoniczne

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Ruch drgający i falowy

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Wykład 1: Fale wstęp. Drgania Katarzyna Weron. WPPT, Matematyka Stosowana

Fizyka Elementarna rozwiązania zadań. Część 20, 21 i 22 Przygotowanie: Grzegorz Brona,

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

drgania h armoniczne harmoniczne

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

VII. Drgania układów nieliniowych

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

II. RUCH DRGAJĄCY I FALOWY

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

Drgania i fale sprężyste. 1/24

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

Siła elektromotoryczna

Laboratorium Mechaniki Technicznej

DRGANIA MECHANICZNE. Poniższe materiały tylko dla studentów uczęszczających na zajęcia. Zakaz rozpowszechniania i powielania bez zgody autora.

Ć W I C Z E N I E N R M-2

Kinematyka: opis ruchu

α - stałe 1 α, s F ± Ψ taka sama Drgania nieliniowe (anharmoniczne) Harmoniczne: Inna zależność siły od Ψ : - układ nieliniowy,

Rys Ruch harmoniczny jako rzut ruchu po okręgu

Drgania. O. Harmoniczny

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

, to: Energia całkowita w ruchu harmonicznym prostym jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy.

2.6.3 Interferencja fal.

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

Wykład 3 Ruch drgający Ruch falowy

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Drgania - zadanka. (b) wyznacz maksymalne położenie, prędkość i przyspieszenie ciała,

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Opis ruchu obrotowego

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

2. Rodzaje fal. Fale te mogą rozchodzić się tylko w jakimś ośrodku materialnym i podlegają prawom Newtona.

WAHADŁO SPRĘŻYNOWE. POMIAR POLA ELIPSY ENERGII.

1 Wymagania egzaminacyjne na egzamin maturalny - poziom rozszerzony: fizyka

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Fale mechaniczne i akustyka

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

a = (2.1.3) = (2.1.4)

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

II. RUCH DRGAJĄCY I FALOWY

Sprawozdanie z zad. nr 4 Wahadło Matematyczne z Fizyki Komputerowej. Szymon Wawrzyniak / Artur Angiel / Gr. 5 / Poniedziałek 12:15

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI W KLASIE 8 Z WYKORZYSTANIEM TIK

Badania doświadczalne drgań własnych nietłumionych i tłumionych

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

4.2 Analiza fourierowska(f1)

dr inż. Paweł Szeptyński materiały pomocnicze do przedmiotu MECHANIKA TEORETYCZNA DYNAMIKA - ZADANIA

Rys Punkt P obracającego się ciała zatacza łuk o długości s

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

PRACA Pracą mechaniczną nazywamy iloczyn wartości siły i wartości przemieszczenia, które nastąpiło zgodnie ze zwrotem działającej siły.

PRZYKŁADY RUCHU HARMONICZNEGO. = kx

a, F Włodzimierz Wolczyński sin wychylenie cos cos prędkość sin sin przyspieszenie sin sin siła współczynnik sprężystości energia potencjalna

Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy

Kinematyka: opis ruchu

gdzie x jest wychyleniem z położenia równowagi. Współczynnik k jest tutaj współczynnikiem proporcjonalności.

Zadanie domowe z drgań harmonicznych - rozwiązanie trzech wybranych zadań

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

MECHANIKA 2. Teoria uderzenia

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Transkrypt:

RUCH DRGAJĄCY Ruch harmoniczny Rodzaje drgań Oscylator harmoniczny Energia oscylatora harmonicznego Wahadło matematyczne i fizyczne Drgania tłumione Drgania wymuszone i zjawisko rezonansu Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl

RUCH HARMONICZNY Ruch okresowy (periodyczny) - ruch, który powtarza się w regularnych odstępach czasu. Jeżeli punkt materialny porusza się tam i z powrotem (ruchem okresowym) po tej samej drodze, to taki ruch nazywamy ruchem drgającym lub harmonicznym (wibracyjnym lub oscylacyjnym). Przemieszczenie w ruchu periodycznym można wyrazić za pomocą harmonicznych i ciągłych funkcji sinus lub cosinus. y A = r y r sin r α t t (r.j.o) y r sin t

RODZAJE DRGAŃ y [m] A 0 T T t [s] -A y Asin t Acos( t ) Występujące w przyrodzie drgania dzielimy na: swobodne, tłumione (obecne są siły oporu ośrodka) lub wymuszone (wywołane zewnętrzną, zmienną w czasie siłą).

OSCYLATOR HARMONICZNY Oscylator harmoniczny (wyidealizowany układ fizyczny) - punkt materialny (ciało) o masie m, wykonujący ruch pod wpływem proporcjonalnej do chwilowego wychylenia z położenia równowagi siły sprężystej F. II ZDN F S = k F = ma m d dt = k d dt = k m ozn. k m ω d dt = ω W ruchu harmonicznym przyspieszenie ciała, podobnie jak działająca na nie siła, jest proporcjonalne i skierowane przeciwnie do wychylenia z położenia równowagi.

OSCYLATOR HARMONICZNY (c.d.) d dt równanie różniczkowe (II rzędu) drgań swobodnych, gdzie niewiadomą jest funkcja (t) położenia w funkcji czasu: UWAGA!!! w chwili t = 0 wszystkie te funkcje zależą tylko od fazy początkowej drgań φ, a amplituda A drgań swobodnych układu nie zależy od czasu i jest stała. sin t = A cos ωt + φ d dt = A d dt cos ωt + φ = ωa sin ωt + φ d dt = ωa d dt sin ωt + φ = ω A cos ωt + φ = ω cos( t 0 )

OSCYLATOR HARMONICZNY (c.d.) = A cos ωt + φ przemieszczenie V == ωa sin ωt + φ prędkość a = ω A cos ωt + φ przyspieszenie

OSCYLATOR HARMONICZNY (c.d.) φ Acos( t ) A - amplituda drgań (ma. wychylenie z położenia równowagi); φ - faza początkowa drgań; ω - częstość kołowa (kątowa) drgań własnych układu; T T - okres drgań (czas jednego pełnego cyklu oscylacji); f 1 T 1 m k k m f - częstotliwość drgań (ilość oscylacji w jednostce czasu, wyrażana w [Hz] lub [1/s]).

ENERGIA OSCYLATORA HARMONICZNEGO W = Fd = k d 0 0 = k 0 = k = U = A cos ωt + φ φ U = 1 k = 1 ka cos ωt + φ E c = U ma = 1 ka K = 1 mv = 1 mω A sin ωt + φ = 1 ka sin ωt + φ K ma = 1 ka E c = K + U = 1 ka sin ωt + φ + cos ωt + φ 1 = 1 ka ~ A Podczas drgań oscylatora harmonicznego energia kinetyczna układu jest cyklicznie zamieniana w energię potencjalną. Suma tych energii E c (całkowita energia mechaniczna) jest stała i nie zależy od czasu. E c

WAHADŁA matematyczne fizyczne oś d l l l śm T l g punkt materialny o masie m zawieszony na nieważkiej i nierozciągliwej nici o długości l T I mgd bryła sztywna o masie m wahająca się pod wpływem siły ciężkości dookoła osi nie przechodzącej przez środek masy tej bryły

WAHADŁO MATEMATYCZNE Okres drgań wahadła matematycznego (proste): 7 o ma s F n st mg mg g L 4 g T L T sin sin g (sin ) L g, ( a sin n F st ) sin Przy dużych kątach wychylenia wahadła matematycznego z położenia równowagi jego ruch nie będzie już ruchem harmonicznym prostym. L ma n

y [m] DRGANIA TŁUMIONE y A 0 sin t, T 0 A 0 A = A 0 e βt 0 T 0 T t [s] y Asin t t, t T T T 0, t

DRGANIA TŁUMIONE Podczas drgań tłumionych działają siły niezachowawcze (np. siła tarcia, siły oporu ośrodka), a energia mechaniczna układu maleje. Siła tłumiąca jest proporcjonalna do prędkości ciała i przeciwnie do niej skierowana. b - stała (współczynnik oporu) F t = bv F = k bv = ma m d d + b dt dt + k = 0 A e 0 b t m cos( t t ) 0 t t k m b m Amplituda drgań tłumionych maleje wykładniczo w czasie (A = A 0 e -βt )

Pulsacja drgań tłumionych ω t jest mniejsza niż pulsacja drgań swobodnych: β - współczynnik tłumienia ω - częstość drgań własnych (a) drgania harmoniczne tłumione (b) tłumienie krytyczne (ruch pełzający krytyczny) (c) aperiodyczny powrót do stanu równowagi (ruch pełzający) DRGANIA TŁUMIONE (c.d.) m b m b m k t t

DRGANIA WYMUSZONE Podczas drgań wymuszonych ubytek energii mechanicznej wskutek tarcia jest kompensowany przez cykliczne dostarczanie energii przez zmienną siłę zewnętrzną. Siłę tę nazywamy siłą wymuszającą. F w = F 0 cos Ωt F = F S + F t + F w F = k bv + F w = ma m d d + b dt dt + k = F 0 cos Ωt Acos( t ) rez β 0 = 0 (Ω = ω, A ) brak tłumienia β 1 małe tłumienie A m F 0 4 β duże tłumienie Φ arc tg 0 1

REZONANS A β 5 = 0 β 1 > β > β 3 > β 4 > β 5 β 4 rez β β 3 A rez F m 0 β 1 (ω - β 1 < 0) Ω r Ω r Ω r Ω r = ω Ω [Hz]

ZJAWISKO REZONANSU Rezonans - silny wzrost amplitudy przy częstości nawet niewielkiej siły wymuszającej bliskiej częstości drgań własnych układu. Skutki rezonansu mogą być zarówno pozytywne (odbiorniki RTV) jak i negatywne (źle wyważone wirujące części maszyn). Wiatr wywołujący drgania o częstości zbliżonej do częstości własnej drgań mostu doprowadził do jego zniszczenia (Tacoma Narrows, USA 1940)

DRGANIA ZŁOŻONE Superpozycja drgań harmonicznych równoległych o tej samej częstotliwości Superpozycja drgań harmonicznych równoległych o różnych częstotliwościach Analiza harmoniczna drgań Dudnienia i drgania modulowane Superpozycja drgań harmonicznych wzajemnie prostopadłych Krzywe Lissajous Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl

Drgania są równoległe, gdy zachodzą wzdłuż tej samej prostej. Superpozycja (nakładanie się) drgań równoległych - punkt materialny wykonuje jednocześnie dwa (lub więcej) drgania harmoniczne równoległe (np. wzdłuż osi ) o tej samej częstotliwości kołowej (pulsacji), lecz różniące się fazą. Drganie wypadkowe rozważanego punktu jest superpozycją jego drgań składowych, a wypadkowe wychylenie jest sumą jego wychyleń składowych. y SUPERPOZYCJA DRGAŃ RÓWNOLEGŁYCH A A o tej samej częstotliwości 1 = A 1 cos ωt + φ 1, = A cos ωt + φ = 1 + = A cos ωt + φ Δφ φ φ A 1 A = A 1 + A + A 1 A cos φ φ 1, φ = φ φ 1 p. fazowe φ 1 1 tan φ = A 1 sin φ 1 + A sin φ A 1 cos φ 1 + A cos φ

SUPERPOZYCJA DRGAŃ RÓWNOLEGŁYCH o tej samej częstotliwości 1 = A 1 cos ωt + φ 1 = A 1 cos φ 1 cos ωt A 1 sin φ 1 sin ωt = A cos ωt + φ = A cos φ cos ωt A sin φ sin ωt = 1 + = A 1 cos φ 1 + A cos φ A cos φ cos ωt A 1 sin φ 1 + A sin φ A sin φ sin ωt = A cos φ cos ωt A sin φ sin ωt = A cos ωt + φ A = A cos φ A sin φ = = A 1 cos φ 1 + A cos φ + A 1 sin φ 1 + A sin φ = = A 1 + A + A 1 A cos φ φ 1, φ = φ φ 1 p. fazowe tan φ = A 1 sin φ 1 + A sin φ A 1 cos φ 1 + A cos φ

SUPERPOZYCJA DRGAŃ RÓWNOLEGŁYCH o tej samej częstotliwości Superpozycja drgań harmonicznych równoległych, o jednakowych pulsacjach różniących się fazą, daje w wyniku drganie harmoniczne o tej samej pulsacji. Amplitudy drgań składowych dodają się, gdy ich fazy są zgodne, a odejmują się, gdy fazy są przeciwne. y Acos cost Asin sin t Acos( t ) A φ = φ φ 1 = 0 A 1 + A = A ma A f. zgodne Δφ φ φ A 1 φ 1 1 φ = φ φ 1 = π f. przeciw ne A 1 A = A min

SUPERPOZYCJA DRGAŃ RÓWNOLEGŁYCH W przypadku superpozycji drgań harmonicznych równoległych o różnych częstotliwościach powstaje okresowe drganie wypadkowe, które na ogół nie jest harmoniczne. Dowolne drganie okresowe może powstać przez superpozycję skończonej lub nieskończonej liczby drgań harmonicznych o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej (pulsacje poszczególnych drgań tworzą postęp arytmetyczny: ω, ω, 3ω,, kω). A o różnych częstotliwościach 1 cos( t 1) A cos( t )... Ak cos( kt k ) k1 Drgania składowe nazywamy kolejno pierwszym, drugim, itd. drganiem harmonicznym. Pierwsze drganie harmoniczne nazywa się także drganiem podstawowym. Okres drgania wypadkowego jest równy okresowi drgania podstawowego.

ANALIZA HARMONICZNA DRGAŃ Dowolne drganie okresowe (t), o okresie T jest superpozycją drgań harmonicznych i można je wyrazić szeregiem Fouriera. 1 k1 A0 ( Ak cos kt Bk sin kt), A k, B k - amplitudy poszczególnych składowych T ω ω 3ω 4ω 3 4 T T

przeciwfaza faza DUDNIENIA Dudnienia - okresowe zmiany amplitudy drgań złożonych w wyniku nałożenia się (superpozycji) drgań harmonicznych o niewiele różniących się pulsacjach (np. struny instrumentu muzycznego nastrojone na niewiele różniące się tony, stacje radiowe pracujące na bliskich częstotliwościach). t min T d ma

DRGANIA MODULOWANE 1 = A 1 cos ω 1 t = A 1 cos ω + ω t, = A cos ω t = A cos ω + ω t = A 1 cos ω 1 t + A cos ω t = A cos ω 1 t + cos ω t + A 1 A cos ω 1 t = = A cos ω 1 + ω t cos ω 1 ω t + A 1 A cos ω 1 t ω = ω 1 + ω ω 1 ω ω + ω ω + ω, = = ω A 1 A = 0 dudnienie = A cos ωt cos ωt + A 1 A cos ω + ω t = A cos ωt A cos ωt, ω = ωt = ω 1 ω ma cos ωt = 1 cos ωt = 1 dudnienia drgania modulowane (głębokość modulacji 100%) (głębokość modulacji 50%)

SUPERPOZYCJA DRGAŃ PROSTOPADŁYCH Drgania są prostopadłe, gdy odbywają się wzdłuż kierunków wzajemnie prostopadłych. Drganie powstałe w wyniku nałożenia się (superpozycji) drgań wzajemnie prostopadłych jest drganiem złożonym zachodzącym w płaszczyźnie y o torze ruchu punktu (przy założeniu, że ω 1 = ω = ω). = A 1 cos ωt + φ 1, y = A cos ωt + φ, φ = φ φ 1 r. faz A + y 1 A y cos φ A 1 A φ 1 = sin φ φ 1 Jednostajny ruch po okręgu (drganie kołowe) - rzut ruchu po okręgu na oś lub y daje ruch harmoniczny i odwrotnie złożenie drgań harmonicznych, zachodzących wzdłuż osi i y daje ruch po okręgu. Kiedy częstotliwości i amplitudy obydwu drgań są równe ruch wypadkowy zależnie od kształtu krzywej nosi nazwę: drgań eliptycznych (Δφ = ±1/4 π lub ±3/4 π) i kołowych (Δφ = ±1/ π lub ±3/ π) lewo lub prawoskrętnych oraz liniowych (Δφ = 0, π, ).

KRZYWE LISSAJOUS Złożenie drgań harmonicznych prostopadłych, daje w wyniku mniej (A 1 = A, ω 1 = ω, 0 Δφ π) lub bardziej (A 1 A, ω 1 ω, 0 Δφ π) skomplikowane krzywe, zwane krzywymi Lissajous. stosunek częstości ω 1 / ω różnica faz Δφ

KRZYWE LISSAJOUS Obrazy złożonych drgań harmonicznych najprościej można otrzymać za pomocą oscyloskopu - wiązka elektronów w lampie oscyloskopowej jest odchylana przez dwie pary płytek prostopadłych względem siebie w zależności od przyłożonego napięcia o określonych pulsacjach, amplitudach i fazach.