Nihanje
Transcription
Nihanje
Dinamika premega gibanja Nihanje Nihanje Lastno nihanje Najpreprostejši primer lastnih nihanj dobimo, če opazujemo nihanje telesa mase m na vzmeti togoti k. Če je telo prepuščeno samo sebi. V mirovanju je in od tu statični premik F= −mg + k x0 = 0 x0 = mg k Opomba. Če poznamo maso telesa m in statični premik, potem lahko izračunamo togost vzmeti k= mg x0 Po Newtonovem zakonu je gibanje telesa opisano z enačbo m d2x =F dt 2 Sila, ki deluje na telo je vsota teže in elastične sile F= −mg − k ( x + x0 ) Dobljena diferencialna enačba je enačba drugega reda s konstantnimi koeficienti. Njena splošna rešitev je = x C1 cos ωt + C2 sin ωt pri čemer sta A in B konstanti, ki jih določimo iz začetnih pogojev. Začetna pogoja sta začetni premik in začetna hitrost Če vstavimo v dobimo = x ( 0) x= x ( 0) v0 0 1 Dinamika premega gibanja Nihanje Da dobimo hitrost telesa, enačbo najprej odvajamo po času in nato vstavimo . Na ta način dobimo Končno rešitev lahko zapišemo v obliki = x x0 cos ωt + v0 ω sin ωt Amplituda in fazni premik. Dobljeno enačbo lahko s pomočjo trigonometričnih identitet zapišemo tudi v drugačni obliki. Če postavimo v0 = sin α A= x0 A cos α ω potem dobimo v A= x02 + 0 ω 2 v α= arctan 0 ω x0 Nadalje je x= A sin α sin ωt + A cos α cos ωt = A cos (ωt − α ) Tako, da je končna rešitev = x A cos (ωt − α ) V tej enačbi je A amplituda pomika t.j. največji možni premik telesa, kot pa je fazni premik, ki določa začetno lego telesa. Lastna frekvenca. Gibanje telesa opisujeta dve periodični funkciji, ki imata periodo 2π . Perioda je torej odvisna le od mase telesa m in togosti vzmeti k ni pa odvisna od amplitude nihanja t.j. začetnih pogojev. Število nihajev v časovni enoti je frekvenca x 2π m f ≡ = 2π = 2π 0 k g ω Primer. Poves konzo vpetega nosilca je 2 Dinamika premega gibanja Nihanje Vsiljeno nihanje Opazujmo sedaj telo na katerega deluje periodična sila Gibalna enačba je v tem primeru F = F0 sin ωt d2x = + ω02 x f0 sin ωt 2 dt f0 ≡ F0 m Partikularno rešitev te enačbe poiščemo z nastavkom x = A sin ωt pri čemer je A neznana amplituda. Če to vstavimo v enačbo dobimo − Aω 2 sin ωt + Aω02 sin ωt = f0 sin ωt in od tu = A f0 f0 F0 1 1 = = 2 2 2 2 k 1 − (ω ω0 )2 ω0 − ω ω0 1 − (ω ω0 ) Prvi faktor predstavlja statični premik telesa, ki ga povzroči sila , drugi faktor pa je faktor ojačanja, ki je odvisen od razmerja frekvenc vzbujalne sile in frekvence lastnega nihanja. Vpliv začetnih vrednosti. Splošna rešitev problema vsiljenega nihanja dobimo, če seštejemo x = C1 cos ω0t + C2 sin ω0t + f0 sin ωt ω − ω2 2 0 V posebnem primeru, ko sta začetni premik in začetna hitrost enaka nič dobimo x ( 0= ) C=1 0 x ( 0) = ω0C2 + Rešite je torej oblike f0 ω f0 ω = 0 ⇒ C2 = − 2 2 ω0 ω0 − ω 2 ω −ω 2 0 3 Dinamika premega gibanja Nihanje f0 ω sin ωt − sin ω0t 2 ω0 ω −ω x = 2 0 Nihanje torej sestavljata vsiljeno nihanje in prosto nihanje. Kaj se zgodi, ko sta frekvenci vzbujanja in lastnega nihanja zelo blizu skupaj ? f0 ω sin ωt − sin = ω0t 2 ω →ω0 ω − ω ω0 = x lim 2 0 sin ω0t f f lim 0 t cos ωt − = = − 0 t cos ωt ω →ω0 −2ω 2ω ω0 Rezultat kaže, da v tem primeru amplituda vseskozi narašča s časom. = Če je ∆ ω ω sin ωt − ω + 2∆ sin (ω + ∆ ) t (ω + ∆ ) − ω f0 = x 2 2 f0 ω sin ωt − ( sin ωt cos ∆t + cos ωt sin ∆t ) 2 ω+∆ 2∆ω + 4∆ f sin ∆t cos ωt ≈ 0 2ω ∆ 1 je x≈ f0 sin ∆t cos ωt 2ω ∆ Amplituda takega nihanja je odvisna od časa in ima periodo je bitje. 2π . Rezultat nihanja ∆ Prečno nihanje gredi. Do sedaj smo obravnavali točkasta telesa, sedaj pa preideo na obravnavo nosilcev. To je prvi približke ladje. Predpostavimo stalen prerez in enakomerno porazdeljeno maso. 4