3.DRGANIA SWOBODNE MODELU O JEDNYM STOPNIU SWOBODY(JSS)

Podobne dokumenty
WYKAZ TEMATÓW Z LABORATORIUM DRGAŃ MECHANICZNYCH dla studentów semestru IV WM

Laboratorium Mechaniki Technicznej

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

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

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

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

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

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

2.ANALIZA DYNAMICZNA OBIEKTÓW MECHANICZNYCH

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

WYKŁAD 3. Rozdział 2: Drgania układu liniowego o jednym stopniu swobody. Część 2 Drgania z wymuszeniem harmonicznym

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Laboratorium Dynamiki Maszyn

BADANIE DRGAŃ TŁUMIONYCH WAHADŁA FIZYCZNEGO

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

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

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

Badania doświadczalne drgań własnych nietłumionych i tłumionych

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

(R) przy obciążaniu (etap I) Wyznaczanie przemieszczenia kątowego V 2

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

5.3. WIBROIZOLACJA MASZYN I URZĄDZEŃ

MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 5

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

VII. Drgania układów nieliniowych

Rys 1 Schemat modelu masa- sprężyna- tłumik

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

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

Ruch drgający i falowy

Dwa w jednym teście. Badane parametry

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

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

Napęd pojęcia podstawowe

Ćwiczenie 6 IZOLACJA DRGAŃ MASZYNY. 1. Cel ćwiczenia

Linie wpływu w belce statycznie niewyznaczalnej

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Siła sprężystości - przypomnienie

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

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

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

DRGANIA MECHANICZNE WPROWADZENIE

RUCH DRGAJĄCY RZESZOTA PRZESIEWACZA DWUCZĘSTOŚCIOWEGO**

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

6.REDUKCJA OBIEKTU MECHANICZNEGO DO MODELU O JSS 6.1. CEL I MOTYWACJA METOD PRZYBLIŻONYCH

Przykład 1 Dany jest płaski układ czterech sił leżących w płaszczyźnie Oxy. Obliczyć wektor główny i moment główny tego układu sił.

Kinematyka: opis ruchu

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Wyznaczanie prędkości lotu pocisku na podstawie badania ruchu wahadła balistycznego

PODSTAWY AUTOMATYKI. Analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości dla elementarnych obiektów automatyki.

Podpory sprężyste (podatne), mogą ulegać skróceniu lub wydłużeniu pod wpływem działających sił. Przemieszczenia występujące w tych podporach są

Projekt nr 4. Dynamika ujęcie klasyczne

Ć W I C Z E N I E N R M-2

Rys. II.9.1 Schemat stanowiska laboratoryjnego

PRACOWNIA FIZYCZNA DLA UCZNIÓW WAHADŁA SPRZĘŻONE

DRGANIA OSCYLATOR HARMONICZNY

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

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

Drgania i fale II rok Fizyk BC

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

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 01/18. WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL WUP 08/18 RZECZPOSPOLITA POLSKA

Prosty oscylator harmoniczny

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Mechanika ruchu / Leon Prochowski. wyd. 3 uaktual. Warszawa, Spis treści

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Prawa ruchu: dynamika

Zadanie domowe z drgań harmonicznych - rozwiązanie trzech wybranych zadań

PN-B-03004:1988. Kominy murowane i żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie

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

Theory Polish (Poland) Przed rozpoczęciem rozwiązywania przeczytaj ogólne instrukcje znajdujące się w osobnej kopercie.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

\"':" 2.1. Wprowadzenie teoretyczne BADANIE DRGAŃ GIĘTNYCH BELKI PRZY WYMUSZENIU BEZWŁADNOŚCIOWYM 17 ( 3 )

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Drgania. O. Harmoniczny

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Katedra Automatyzacji Laboratorium Podstaw Automatyzacji Produkcji Laboratorium Podstaw Automatyzacji

Napęd pojęcia podstawowe

Znów trochę teorii...

Teoria maszyn mechanizmów

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

Transkrypt:

3.DRGANIA SWOBODNE MODELU O JEDNYM STOPNIU SWOBODY(JSS) 3.1. DRGANIA TRANSLACYJNE I SKRĘTNE WYMUSZME SIŁOWO I KINEMATYCZNIE W poprzednim punkcie o modelowaniu doszliśmy do przekonania, że wielokrotnie model obiektu sprowadza się do elementarnego modelu drgającego o jednym stopniu swobody (JSS). Weźmy więc pod uwagę taki model z wymuszeniem siłowym lub momentowym, jak na rysunkach 2.3, 2.4, 2.5. Przy okazji pompy drgającej skrętnie z rysunku 2.5 może powstać pytanie czy wnioski i sposób analizy dla drgań skrętnych będą takie same jak dla drgań typu translacyjnego. Weźmy więc pod uwagę model o JSS translacyjny (rys. 2.4) oraz skrętny (rys. 2.5) i napiszmy równania ruchu.

x(t) = X(t) x (t) = X(t) - v t oraz ϕ ( t) = Φ( t) ϕ ( t) = Φ( t) ω t.jako ilustrację techniczną obu przypadków można przedstawić: dla drgań translacyjnych na torze wzdłużnym ruch oscylacyjny pociągu drogowego lub kolejowego jadącego ze stałą prędkością, zaś dla drgań skrętnych ϕ (t) będzie oznaczało chwilowe skręcenie linii napędowej maszyny obracającej się ze stałą średnią prędkością kątową ω = 2Π n = const.. 6 To przydługie wyjaśnienie słuszne nie tylko dla modelu o JSS pozwoli nam w przyszłości uniknąć stałego powtarzania wniosków dla ruchu translacyjnego i skrętnego. Dla tej samej ogólności rozważań poświęcimy jeszcze kilka chwil wymuszenia siłowemu oraz wymuszeniu kinematycznemu. W pierwszym przypadku wymuszenie pochodzi od zadanej zewnętrznie siły bądź momentu (patrz rys. 3.1, F(t), M(t)), natomiast w drugim przypadku mamy zadany zewnętrznie ruch na torze. Jak się okazuje oba przypadki wymuszenia są modelowo równoważne co jasno wynika z rysunku 3.2. Jak widać z rysunku zadane przemieszczenie z(t) działając poprzez sprężynę k i tłumik c jest źródłem siły równoważnej F(t),F(t) = kz + cz. Wiedząc o tym możemy nasze dalsze rozważania ograniczyć do drgań translacyjnych z wymuszeniem siłowym, a wnioski przenosić na dowolny ruch z dowolnym typem wymuszenia.

3.2. DRGANIA SWOBODNE BEZ TŁUMIENIA Załóżmy w naszych rozważaniach, że efekty działania sił oporu ( c x& ) nie są dla nas istotne, stąd też można dalej przyjąć, że współczynnik oporu niesprężystego c jest bliski zera, c. W takim razie z równania (3 1) będziemy mieli: Jest to równanie różniczkowe liniowe II-go rzędu jednorodne, a jego rozwiązanie ma postać ogólną r- wykładnik charakterystyczny. Szukając wartości tego wykładnika poprzez wstawienie rozwiązania do (3.2) mamy: rt x = Ae

Biorąc pod uwagę rozwiązanie (3.5) oraz jego interpretację graficzną możemy przedstawić następujące wnioski: 1 Ruch swobodny układu elementarnego bez tłumienia przedstawia oscylacje o częstości ω = k określonej całkowicie sprężystością k i bezwładnością m modelu. m Częstość drgań mierzona jest w rad/sek i łączy się z okresem drgań własnych T o [sec] oraz częstotliwością f [Hz], gdyż jak wiadomo 1 ω = 2Π f, f = t 2 Amplituda ruchu własnego C określona jest całkowicie przez warunki początkowe ruchu x o, v o oraz częstość drgań własnych ω, co również określa przesunięcie fazowe drgań φ. 3 Na skutek nieuwzględnienia tłumienia drgania w układzie nie zanikają, stąd też model dokładniejszy musi uwzględnić zjawisko dyssypacji energii. Spróbujmy obecnie wykorzystać do celów technicznych nabytą wyżej wiedzę o drganiach swobodnych obiektów mechanicznych. Częstotliwość drgań własnych f o determinowana jest masą i sztywnością obiektu, zaś w wielu przypadkach elastycznego montażu, gdzie częstotliwość ta jest istotna, znamy jedynie ugięcie statyczne pod wpływem ciężaru własnego obiektu. Modelowo sytuacja wygląda jak na rysunku 3.4. Wnioskując z rysunku 3.4 i wzoru na częstotliwość drgań f mamy:

Przykład 1. Zespół wentylacyjny zamontowano elastycznie na czterech amortyzatorach, które ugięły się pod ciężarem zespołu o σ st = 1cm. Znaleźć częstotliwość drgań własnych amortyzowanego zespołu. Odpowiedź 5 f = = 5Hz 1 Przykład 2. Belka suwnicy mostowej ugięła się o σ st =, 1cm pod wpływem podnoszonego ciężaru znacznie większego od ciężaru suwnicy. Określić częstotliwość drgań własnych. Odpowiedź f 15, 8 Hz 3.3. DRGANIA SWOBODNE TŁUMIONE Analizowany wyżej model sprężysto-inercyjny może być stosowany, jeśli chodzi nam o wyznaczenie częstotliwości drgań własnych f o, początkowej amplitudy drgań własnych, oraz ogólnie drgań w ramach kilku okresów po rozpoczęciu ruchu. Jednak dla dłuższego czasu obserwacji drgań między zachowaniem się naszego modelu a rzeczywistością pojawia się zasadnicza różnica: ruch modelowy nie zanika z czasem. Przejdźmy więc do analizy zachowania się modelu pełnego; sprężysto-inercyjnego z dyssypacją, c. Wychodząc z (3.1) mamy tu przy F ( t) :

Analizując uważnie znalezione pierwiastki charakterystyczne r 1, 2 można powiedzieć, że wyznaczają one trzy obszary zachowania się modelu, zależnie od wartości współczynnika tłumienia h; mianowicie h > ω, h = ω h < ω, Dla udogodnienia dalszej analizy wprowadźmy bezwymiarowy stopień tłumienia ξ, który spełnia relacje: Analizując uważnie znalezione pierwiastki charakterystyczne r 1,2 można powiedzieć, że wyznaczają one trzy obszary zachowania się modelu, zależnie od wartości współczynnika tłumienia h; mianowicie h > ω, h = ω h < ω Dla udogodnienia dalszej analizy wprowadźmy bezwymiarowy stopień tłumienia ξ, który spełnia relacje:

Tak więc zasadnicza niezgodność jakościowa modelu z poprzedniego punktu została naprawiona. Jeśli zaś chodzi o ilustrację graficzną rozwiązań (3.1), to jakościowo przedstawiono ją na rysunku 3.5 dla różnych ξ = var. Patrząc na techniczną aplikację rozwiązań (3.1) można powiedzieć, że tłumienie nadkrytyczne układów drgających ma zastosowanie w konstrukcji różnego typu indykatorów wskazówkowych. Jaskrawym przykładem jest tu galnometr balistyczny stosowany do pomiaru ładunku elektrycznego. Układy amortyzacji np. samochodów i innych pojazdów należą do przypadków tłumienia podkrytycznego ξ < 1, lecz o dużej specjalnie dobieranej wartości tłumienia. Przybliżony test sprawdzenia amortyzatorów samochodu dopuszcza nie więcej niż dwa wahnięcia po wyprowadzeniu z położenia równowagi. Tak więc

jest to ruch już naprzemienny, ξ < 1, z co najmniej jednym przejściem przez położenie równowagi. Materiały konstrukcyjne, zwłaszcza metale np. stal, duraluminium, cechują się bardzo małym stopniem tłumienia ξ << 1, rzędu,1 i mniej. Stąd też maszyny, urządzenia i instalacje skonstruowane z takich materiałów będą się cechowały słabym zanikiem drgań własnych z wystąpieniem wszystkich niekorzystnych aspektów drgań omawianych w rozdziale 1. Ta sytuacja dużej podatności na drgania konstrukcji mechanicznych jest głównym powodem wprowadzenia nauki o drganiach do programu studiów. Z powyższego wynika, że dalej będziemy się już zajmowali przypadkiem tłumienia podkrytycznego ξ < 1. Stąd też biorąc pod uwagę ten przypadek w (3.1) przedstawmy stałe A 1 i A 2 w funkcji warunków początkowych x o, v o w zapisie rzeczywistym:

Tak więc z tytułu dyssypacji oprócz efektu zanikania drgań uzyskaliśmy również zmniejszenie częstości i częstotliwości drgań ω, f. Przedstawiając zaś ostatecznie rozwiązanie (3.12) graficznie będziemy mieli jak na rysunku 3.6. d d Jak widać z rysunku przebieg drgań tłumionych mieści się w obwiedni utworzonej przez ξ ω t funkcje ±. e

Do celów porównawczych, a przede wszystkim aplikacji technicznych, koniecznym jest wprowadzenie miary tłumienia. Taką miarę może dać porównanie obu sąsiednich wychyleń w tę samą stronę. Jeśli na rysunku 3.6 rozpoczniemy rachubę czasu od pierwszego dodatniego maksimum x 1 to zapis drgań zanikających będzie: Tak więc dla większości obiektów spotykanych w inżynierii mechanicznej ( ξ <, 1 istnieje prosty związek między stopniem tłumienia a wielkością bezpośrednio mierzalną z eksperymentu czyli logarytmicznym dekrementem tłumienia. Przykład 1. Podczas testu drgań swobodnych tylnego zawieszenia samochodu zaobserwowano średnie stosunki dwu kolejnych wychyleń: x 1 x =,5 dla lewego koła oraz 1 =, 6 dla prawego. Znaleźć logarytmiczny dekrement x x tłumienia oraz stopień tłumienia zawieszenia każdego z kół

Jak widać stopień tłumienia drgań zawieszenia obu kół jest mały. Przykład 2. Ciężar podniesiony przez suwnicę buja się na linie z częstotliwością x 1 f d = 1 Hz, a po dwudziestu wahnięciach amplituda maleje o połowę = x,5 Obliczyć parametry f ω,, ξ., h Rozwiązanie: a) tłumienie z (3.15) po 2 okresach 2