2. 3. Вынужденные колебания

2.3.1. Вынужденные колебания при отсутствии вязкого сопротивления

Гармоническое возбуждение колебаний. Дифференциальное уравнение колебаний имеет вид

Постоянные члены F₀ [Н], _в [рад/с] и  [рад] правой части выражения (2.45) характеризуют гармоническую возмущающую силу и соответственно являются амплитудой, круговой частотой и начальной фазой этой силы. Разделим обе части выражения (2.45) на m и введем обозначения _с² = c/m [рад/с] – круговая частота собственных колебаний, f₀ = F₀/m [Н/кг] – относительная амплитуда возмущающей силы.

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний без сопротивления в окончательной форме имеет вид:

Получено неоднородное, линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Его решение состоит из общего решения однородного уравнения s₁ и частного решения неоднородного уравнения s₂. Общее решение есть сумма этих двух решений, т.е. s = s₁+s₂.

Однородное уравнение для определения s₁ совпадает с дифференциальным уравнением собственных колебаний (2.32). Поэтому его решение s₁ называют собственным колебанием системы. Оно может быть представлено в двух эквивалентных формах:

s₁ = C₁cos_ct + C₂sin_ct = A₁sin(_ct + ₁). (2.47)

Часть движения системы, характеризуемая функцией s₂, является частным решением уравнения (2.46) и ее называют вынужденным колебанием системы. Функция s₂ определяется в зависимости от соотношения частот собственных колебаний _си вынужденных_в. Возможны два случая: отсутствие резонанса _в ≠ _с и резонанс _в = _с.

1. Случай отсутствия резонанса. Решение ищется в виде правой части уравнения (2.46)

s₂ = S_в sin(_вt + ). (2.48)

Определим значение S_в, удовлетворяющее уравнению (2.46), для чего в это уравнение подставим значения s₂ и d²s₂/dt²:

ds₂/dt = S_в _в cos(_вt + ), d²s₂/dt² = – S_в _в² sin(_вt + ).

Получим следующее тождество, справедливое в любой момент времени:

(– S_в _в² + S_в_с² - f₀) sin(_вt + ) ≡ 0.

Так как синус переменного аргумента равен нулю не для всех значений t, то полученное тождество выполняется только тогда, если постоянный коэффициент в скобках при синусе равен нулю:

S_в (_с² – _в²) – f₀ = 0.

Откуда

S_в = f₀ / (_с² – _в²).

И ли окончательно вынужденные колебания будут иметь вид

Таким образом, движение системы характеризуется суммарным перемещением s, состоящим из двух колебаний с различными частотами, собственных s₁ с круговой частотой _с и вынужденных s₂ с круговой частотой _в:

В амплитудной форме

Произвольные постоянные C₁ и C₂ или A₁ и ₁ определим из начальных условий: t = 0; s = s₀; ś = ś₀.

Подставляя эти значения в выражения (2.49), получаем

Как видно из (2.49) и (2.50) решение состоит из двух гармонических колебаний с частотами _с и _в соответственно.

В реальных системах, где всегда присутствуют силы вязкого сопротивления, свободные колебания с частотой _с с течением времени затухают (рис. 2.17, а и в), и устанавливаются не зависящие от начальных условий стационарные вынужденные колебания с частотой _в (рис. 2.17, б), уравнение которых имеет вид

Если частота вынужденных колебаний меньше частоты собственных колебаний системы (_в < _c), то установившиеся вынужденные колебания будут совпадать по фазе с возмущающей силой. При _в > _c сдвиг по фазе будет равен , то есть вынужденные колебания будут находиться в противофазе по отношению к возмущающей силе.

В выражение (2.51) дробь

является амплитудой вынужденных колебаний, величина которой зависит только от амплитуды возбуждающей силы F₀, её круговой частоты _в, величины массы m и круговой частоты собственных колебаний. Амплитуда вынужденных колебаний S_вА не зависит от начальных условий.

Определим изменение амплитуды S_вА с изменением круговой частоты _в возбуждающей силы F_в. Частота изменения возмущающей силы очень мала (_в ≈ 0). Подставляя значение _в = 0 в уравнение (2.52), получим

то есть амплитуда вынужденных колебаний в этом случае равна статическому перемещению, на которое переместится груз под действием постоянной силы F₀.

О тношение амплитуды S_вА вынужденных колебаний к статическому перемещению S_ст под действием постоянной силы F₀ называется коэффициентом динамичности или коэффициентом нарастания колебаний:

При _в = 0 имеем S_вА = S_ст и k_д = 1.

2. Случай резонанса. Резонансом называется случай совпадения частот собственных колебаний и возмущающей силы, то есть тогда когда _с = _в. При совпадении частот частное решение следует искать в форме

s₂ = S_в t cos(_вt+).

Определим производные от s₂

и подставив их вместе с s₂ в (2.46), получим

Отсюда S_в = – f₀/2_в и, следовательно,

Из (2.55) следует, что вынужденные колебания при резонансе запаздывают по фазе от вынуждающей силы на /2. Главной особенностью вынужденных колебаний при резонансе является зависимость их амплитуды от времени: S_вА = f₀·t ∕ 2_в.

Амплитуда вынужденных колебаний нарастает линейно пропорционально времени, что представлено на рис. 2.18.

Рассмотренный случай колебаний при резонансе без сопротивления практически не встречается, так как при движении системы всегда имеются силы сопротивления движению. Установленный т еоретический рост амплитуды с течением времени по линейному закону в действительности тоже не наблюдается, ходя амплитуды при резонансе могут достигать больших значений. Резонанс, сопровождающийся нарастанием амплитуды колебаний до больших значений, может стать причиной разрушения конструкции или возникновения опасных напряжений, снижающих срок службы изделия.

Проанализируем зависимость коэффициента динамичности k_д от соотношения частот вынужденных и собственных колебаний _в/_с. Из (2.54) следует, что коэффициент динамичности зависит только от соотношения частот _в/_с. Представленная на рис. 2.19 зависимость называется резонансной кривой или амплитудно-частотной характеристикой.

П ри малой частоте вынуждающей силы коэффициент динамичности близок к единице. С ростом _в значение k_д быстро увеличивается и _в = _с становится теоретически неограниченным, что соответствует резонансу. В зарезонансной зоне, когда _в > _с, коэффициент динамичности вновь становится конечным. Следует обратить внимание, что при _в/_с=2^½ его значение равно единице, а при дальнейшем увеличении этого значения коэффициент динамичности резко падает ниже единицы. Таким образом, когда на тело действует высокочастотная сила, она не способна вызвать большие амплитуды колебаний, то есть механическая система как бы не успевает отзываться на быстрые изменения вынуждающей силы, а тело сохраняет стационарное положение.

Инерционное возбуждение колебаний. В выражении (2.45) было в качестве возмущающего фактора была рассмотрена сила, изменяющееся по гармоническому закону, а её амплитуда не зависит от частоты. В инженерной практике чаще бывает по-другому. При вращении неуравновешенного ротора (или коленчатого вала поршневого двигателя) возникает вынуждающая сила

F(t) = m₀_в²sin(_вt + ,

где m₀ – масса неуравновешенной части ротора;  – радиус вектор неуравновешенной части ротора;_в – угловая скорость.

В данном случае амплитуда возмущающей силы m₀_в²пропорциональна квадрату частоты _в и уравнение (2.45) в этом случае примет вид

Введем обозначения: F₀ = m₀_в² f₀ = (m₀_в²m = Ŝ·_в², где Ŝ = m₀·m имеет размерность перемещения.

А мплитуда вынужденных колебаний

г де k_д.ин – коэффициент динамичности при инерционном возбуждении колебаний,

К оэффициент динамичности k_д.ин показывает во сколько раз амплитуда колебаний при инерционном возбуждении с конечной частотой _в отличается от амплитуды вынужденных колебаний при бесконечно большой частоте (_в/_с) → ∞. При нулевой частоте k_д.ин = 0, поскольку при этом отсутствует инерционное возбуждение. При (_в/_с) → ∞ коэффициент динамичности k_д.ин → 1 (рис. 2.20).