background image

1

DRGANIA WYMUSZONE

Układ oscylacyjny na który działa siła wymuszająca.

)

(

2

2

t

F

kx

dt

x

d

m

+

=

m

t

F

x

dt

x

d

/

)

(

2

0

2

2

=

+

ω

  -   równanie niejednorodne

Podstawmy  

)

cos(

)

(

0

t

F

t

F

ω

=

                   

m

k

=

2

0

ω

)

cos(

)

sin(

)

cos(

2

t

C

a

t

C

v

t

C

x

ω

ω

ω

ω

ω

=

=

=

)

cos(

)

cos(

)

cos(

0

2

0

2

t

F

t

C

m

t

C

m

ω

ω

ω

ω

ω

+

=

                                       

)

(

2

2

0

0

ω

ω

=

m

F

C

 

  Jeżeli 

0

ω

ω

<<

 to 

0

>

C

 

  Jeżeli 

0

ω

ω

>>

 to 

0

<

C

 

  przy dużych wartościach 

2

0

2

ω

ω

 amplituda maleje.

 

  Jeżeli  

0

ω

ω

 to  

C

  -   drgania rezonansowe

)

cos(

)

(

t

C

t

x

ω

=

background image

2

DRGANIA WYMUSZONE z TŁUMIENIEM

F

kx

dt

dx

C

dt

x

d

m

=

+

+

2

2

m

F

x

dt

dx

dt

x

d

=

+

+

2

0

2

2

ω

γ

gdzie   

m

C

=

γ

Dla harmonicznej siły wymuszającej:

)

cos(

)

(

0

t

F

t

F

ω

=

Rozwiązaniem równania jest:

)

cos(

)

(

0

θ

ω

+

=

t

x

t

x

(

)

[

]

2

1

2

2

2

2

2

0

0

0

/

ω

γ

ω

ω

+

=

m

F

x

2

2

0

tg

ω

ω

γω

θ

=

background image

3

AMPLITUDA I FAZA DRGAŃ WYMUSZONYCH

(

)

[

]

2

1

2

2

2

2

2

0

0

0

/

ω

γ

ω

ω

+

=

m

F

x

      

2

2

0

tg

ω

ω

γω

θ

=

background image

4

 ENERGIA ZMAGAZYNOWANA

Ś

rednia energia drgań w stanie ustalonym jest stała,

równa sumie średniej energii kinetycznej i średniej
energii potencjalnej.

Wartość średnia zmagazynowanej energii

>

<

+

>

<

>=

<

2

2

0

2

2

1

2

1

x

m

v

m

E

m

ω

2

2

0

2

0

2

0

2

0

2

1

  

          

sin

2

1

      

          

cos

ω

ω

ω

ω

x

v

t

x

v

x

x

t

x

x

>=

<

=

>=

<

=

(

)

2

0

2

0

2

4

1

x

m

E

m

+

>=

<

ω

ω

background image

5

MOC DOSTARCZANA

Ż

eby utrzymać stałą amplitudę drgań trzeba dostarczać

energii z zewnątrz. Energia dostarczana równa jest pracy
wykonywanej przez siłę zewnętrzną przeciwko sile oporu.

Moc jest równa pracy wykonanej w jednostce czasu.
Jednostką mocy jest 1 wat    [1W=1 J/s]:

dW

F ds

P

F v

dt

dt

=

=

= ⋅





 

w przypadku ruchu jednowymiarowego, kiedy

  F = F

x

dx

P

F

dt

=

W ruchu drgającym moc dostarczana jest przez siłę

dx

F

m

dt

γ

=

 Średnia moc dostarczona:

2

2

dx

P

m

mv

dt

γ

γ

< >=< ⋅

>=< ⋅

>

2

0

2

2

1

x

m

P

ω

γ

>=

<

 

po włączeniu siły wymuszającej gromadzenie energii

 

w stanie ustalonym pokrycie strat cieplnych.

background image

6

DRGANIA TŁUMIONE

0

2

0

=

+

+

x

x

x

ω

γ







rozwiązanie     

 

t

i

e

A

x

α

~

~

=

Sprawdzenie:

0

)

(

2

0

2

=

+

+

x

x

i

x

i

ω

αγ

α

0

~

)

(

2

0

2

=

+

+

t

i

e

A

i

α

ω

αγ

α

0

2

0

2

=

ω

αγ

α

i

      ( równanie kwadratowe na 

α

)

2

0

2

4

2

1

2

ω

γ

γ

α

+

±

=

i

2

2

0

4

1

2

1

γ

ω

γ

α

±

=

i

Możliwe są dwa przypadki:

0

4

1

2

2

0

>

γ

ω

     lub   

0

4

1

2

2

0

γ

ω

background image

7

DRGANIA TŁUMIONE

Przypadek 1

0

4

1

2

2

0

>

γ

ω

Dwa rozwiązania

=

=

t

i

t

t

i

t

e

e

A

x

e

e

A

x

γ

γ

ω

γ

ω

γ

2

1

2

2

2

1

1

1

~

~

~

~

              

ω

γ

ω

=

2

2

0

4

1

Ogólne rozwiązanie

)

ˆ

ˆ

(

~

2

1

2

/

t

i

t

i

e

A

e

A

e

x

γ

γ

ω

ω

γ

+

=

Rozwiązanie rzeczywiste

)

cos(

0

2

/

0

ϕ

ω

γ

γ

+

=

t

e

A

x

t

Otrzymaliśmy oscylacje o częstości

2

/

1

2

2

0

)

4

1

(

γ

ω

ω

γ

=

i amplitudzie

2

/

0

)

(

t

e

A

t

A

γ

=

A

0

   i   

ϕ

0

     

wyznacza się

  

z warunków początkowych

background image

8

DRGANIA TŁUMIONE

)

cos(

0

2

/

0

ϕ

ω

γ

γ

+

=

t

e

A

x

t

T

T

t

A

t

A

γ

δ

)

2

/

1

(

)

(

)

(

ln

=

+

=

logartymiczny dekrement tłumienia.

background image

9

RUCH APERIODYCZNY

Przypadek 2

0

4

1

2

2

0

γ

ω

2

0

2

4

1

2

1

ω

γ

γ

α

±

=

±

i

i

  jest liczbą urojoną

t

a

t

a

e

A

e

A

x

2

1

2

1

+

=

 gdzie a

1

 = ia

+

  oraz  a

2

 = ia

Rozwiązanie jest rzeczywiste i aperiodyczne.

typ (a) gdy v

0

 



 -s

0

 oraz  

0

1

0

s

v

α

>

background image

10

ROZWIĄZANIE  OGÓLNE

I ROZWIĄZANIE SZCZEGÓLNE

Równanie niejednorodne:

m

F

x

x

x

/

2

0

=

+

+

ω

γ







Rozwiązanie szczególne równania niejednorodnego:

)

cos(

)

(

0

0

)

(

θ

ϕ

ω

+

+

=

t

x

t

x

s

Jeżeli do 

x

(s)

 dodamy funkcję będącą rozwiązaniem

równania jednorodnego:

0

2

0

=

+

+

x

x

x

ω

γ







czyli:

        

)

cos(

)

(

0

2

/

0

)

(

ϕ

ω

γ

γ

+

=

t

e

A

t

x

t

o

lub

t

a

t

a

o

e

A

e

A

t

x

2

1

2

1

)

(

)

(

+

=

nazywaną rozwiązaniem ogólnym równania
niejednorodnego, to suma tych rozwiązań też będzie
rozwiązaniem równania niejednorodnego.

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

x

t

x

t

x

s

o

+

=