- •Кафедра прикладной механики
- •Часть 1. Статика.
- •Типовые виды связей.
- •Момент силы относительно точки и оси
- •Приведение системы сил к простейшей системе
- •Условия равновесия систем сил Пространственная система сил
- •Пространственная система параллельных сил
- •Плоская система сил
- •После отбрасывания тождеств
- •Теорема о моменте равнодействующей силы (теорема Вариньона)
- •Статически определимые и неопределимые задачи
- •Равновесие системы тел
- •А) Трение скольжения
- •Законы Кулона для сухого трения скольжения
- •Б) Трение качения
- •Законы Кулона для трения качения
- •Методы определения центров масс.
- •Часть II Кинематика
- •Скорость и ускорение точки в естественной системе координат
- •Скорость и ускорение точки в полярных координатах
- •Скорость и ускорение точки в цилиндрических координатах
- •Движение: абсолютное, относительное, переносное. Теорема Эйлера. Угловая скорость.
- •Сложное движение точки.
- •Степени свободы. Теорема о проекциях
- •Поступательное движение твердого тела
- •Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси
- •Скорости и ускорения точек тела при вращении
- •Для точки касания дисков 1,2 нрормальные напряжения равны
- •Плоское движение твердого тела
- •Разложение плоского движения твердого тела на поступательное и вращательное
- •Скорость точек тела при плоском движении. Мгновенный центр скоростей.
- •Способы нахождения мгновенного центра скоростей.
- •Вычисление угловой скорости при плоском движении.
- •Ускорения точек при плоском движении. Мгновенный центр ускорений.
- •Способы нахождения мгновенного центра ускорений.
- •Часть III Динамика Классификация сил. Динамика материальной точки.
- •Дифференциальные уравнения движения материальной точки. Две основные задачи динамики точки.
- •Основные виды прямолинейного движения точки. Криволинейное движение.
- •Свободные колебания системы с одной степенью свободы без трения.
- •Свободные колебания системы с одной степенью свободы при наличии трения
- •Вынужденные колебания Системы с одной степенью свободы при отсутствии трения
- •Механическая система. Силы внешние и внутренние Механической системой называется любая совокупность материальных точек.
- •Внутренними силами материальной системы называют силы взаимодействия между точками рассматриваемой системы, мы их будем обозначать . Простейшие свойства внутренних сил системы
- •Дифференциальные уравнения движения системы
- •Геометрические характеристики системы материальных точек. Моменты инерции. Теорема Штейнера. Эллипсоид инерции.
- •Теорема Штейнера
- •Эллипсоид инерции
- •Общие теоремы динамики системы Теоремы об изменении количества движения и о движении центра масс Количество движения точки и системы
- •Элементарный и полный импульс силы
- •Теорема об изменении количества движения точки
- •Теорема об изменении количества движения системы
- •В проекциях на оси координат
- •Законы сохранения количества движения
- •Теорема о движении центра масс
- •Теорема об изменении кинетического момента Кинетический момент точки и системы
- •Теорема об изменении кинетического момента точки
- •Теорема об изменении кинетического момента системы точек
- •Движение точки под действием центральной силы. Законы Кеплера. Секторная скорость, теорема площадей
- •Дифференциальные уравнения плоского движения твердого тела
- •Теорема об изменении кинетической энергии
- •Теорема об изменении кинетической энергии точки
- •Теорема об изменении кинетической энергии системы материальных точек
- •Потенциальное силовое поле и потенциальная энергия
- •Закон сохранения механической энергии
- •Принцип д'Аламбера для материальной точки
- •Принцип д'Аламбера для механической системы
- •Главный вектор сил инерции механической системы
- •Главный вектор сил инерции твердого тела
- •Главный момент сил инерции механической системы
- •Главный момент сил инерции твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси
- •Связи и их классификация
- •Основные понятия аналитической механики
- •Принцип возможных перемещений
- •Общее уравнение динамики
- •Уравнения лагранжа 2-го рода
- •Обобщенные силы
- •Литература
Вынужденные колебания Системы с одной степенью свободы при отсутствии трения
Силовое возбуждение колебаний
Независимо от природы вынуждающих сил будем исходить из того, что каждая из них задана в виде некоторой функции времени где 1,2,...,n - порядковый номер материальной точки.
Рассмотрим простейшую систему с одной степенью свободы, которая совершает колебания под действием вынуждающей силы F(t). В любой момент времени на груз массой m действуют две силы: сила упругости пружины, пропорциональная смещению груза X, и возмущающая сила F(t), изменяющаяся во времени по некоторому, заранее заданному закону.
Дифференциальное уравнение движения груза:
где С - жесткость пружины,
или
Это уравнение иногда называют стандартным, так как к нему можно прийти и при рассмотрении других систем с одной степенью свободы, имеющих совершенно иной конструктивный вид.
Действие гармонической силы
Случай, когда возмущающая сила изменяется по гармоническому закону
F=F0 sin pt,
где F0 - амплитуда силы; p - её частота, является наиболее распространённым в практике.
Поскольку дифференциальное уравнение движения в данном случае получилось неоднородным, то его решение складывается из общего решения однородного уравнения, которое мы уже получили, и частного решения неоднородного, т.е. любого решения, удовлетворяющего дифференциальному уравнению. Это решение будем искать в форме правой части, т.е.
,
где А – амплитуда вынужденных колебаний. После подстановки в дифференциальное уравнение, находим
,
следовательно,
Следовательно, при произвольных начальных условиях возникают сложные колебания, состоящие из двух частей: колебаний, происходящих с частотой p возмущающей силы, и колебаний, происходящих с собственной частотой . Обычно первые колебания называют вынужденными, а вторые - свободными. Такая терминология является условной. Дело в том, что и вторые колебания вызваны действующей возмущающей силой, и их амплитуда зависит от этой силы; в этом смысле вторые колебания также являются вынужденными. Указанные наименования получили широкое распространение потому, что первое слагаемое имеет частоту возмущающей силы, а второе меняется с собственной частотой системы.
Составляющая, названная выше свободными колебаниями, быстро исчезает, поэтому достаточно ограничиться изучением стационарной, незатухающей части решения
.
Амплитуда вынужденных колебаний
отличается от прогиба , подсчитанного в предположении статического действия силы F0. Отношение можно назвать динамическим коэффициентом
.
Динамический коэффициент зависит только от отношения частот .
При малой частоте возмущающей силы динамический коэффициент близок к единице. С ростом частоты p динамический коэффициент быстро увеличивается и при обращается в бесконечность. Это соответствует состоянию резонанса, когда амплитуда вынужденных колебаний стремится к бесконечности (если учесть силы неупругого сопротивления, то амплитуда при резонансе окажется хотя и ограниченной, но обычно настолько значительной, что состояние резонанса всё равно следует считать опасным).
Если частота p больше собственной частоты , то амплитуды становятся конечными; при динамический коэффициент становится меньше единицы, т.е. динамический эффект слабее соответствующего статического эффекта. При очень больших значениях отношения динамический коэффициент становится весьма малым. Это означает, что сила высокой частоты не вызывает ощутимых колебаний в упругой низкочастотной системе, которая как бы "не успевает" отзываться на быстрые изменения возмущающей силы.