Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КИЇВСЬКИЙ УНІВЕ ШУРИК.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
723 Кб
Скачать
☆

Завдання д-4. Знаходження частот малих вільних коливань і власних форм коливань консервативних механічних систем з двома ступенями вільності

Серед різних способів складання диференціальних рівнянь руху

голономних систем матеріальних точок і твердих тіл метод рівнянь Лагранжа

другого роду приваблює простотою, алгоритмічністю (зручною при розробці

програм для комп’ютера), однаковою придатністю для вивчення як

поступальних, так і обертальних рухів тіл. Якщо дх, цг, ..., д„ - узагальнені

(криволінійні, лагранжеві) координати, Т(д - кінетична

енергія, ,Чя*1) ~ потенціальна енергія, - непотенціальні узагальнені

сили, то рівняння Лагранжа другого роду мають вигляд

Р 4

■ но г [ь .«шм 5

у 7

= 0, 8

І/=0 М =0, 8

У„ 10

Р 20

= 0, 61

с, =400—, с2 =2000—, / = їм. см рад 57

л н , н 59

, Н , 64

де £ = Г - 7і - функція Лагранжа або кінетичний потенціал.

  1. Зразок виконання завдання

Система (рис. 4.1) складається із вантажу В, підвішеного до важеля ЕО на

пружині жорсткості с3 = 40—.В точках Е і й важіль опирається на пружини

см

Н Н

жорсткостей с, = 60—, с2 = 40—. Маса вантажу В дорівнює т, = 0.5 кг, см см

маса однорідного стержня ££> дорівнює т2=3 кг. Знайти частоти вільних коливань і власні форми коливань, знехтувавши силами опору і масами пружин. Покласти /, = 0.2 м, /2 = 0.6 м, /3 = 0.3 м.

«

Розв’язання. У стані спокою важіль займає горизонтальне положення (рис. 4.1). Статичні деформації пружин 1, 2 і 3 позначимо А,, Д2 і Д3

в ідповідно; при цьому пружину 1 стиснуто (на величину Д|), пружину 2 розтягнуто (на величину Д2), пружину З розтягнуто (на величину Д3). Чому? (Пояснити). Виведемо

систему зі стану рівноваги. У збуреному положенні важіль зображено на рис. 4.2. Проведемо вертикально вниз вісь В0г, де В0 - положення спокою. За узагальнені координати приймемо: <ц{ = г

  • вертикальне зміщення вантіажу від стану спокою; <?2 = Ф - кут повороту важелю Ей від стану спокою. На рис. 4.2 показано положення системи при додатних значеннях узагальнених координат.

Для даної консервативної системи рівняння (4.2) набувають вигляду

^_дТ_дТ = _^_

Ж дг дг дг ’

(4.3)

±дТ_дТ = _дп Ж 5ф Зф 9ф

Кінетична енергія системи складається із кінетичної енергії вантажу В (який здійснює коливальні прямолінійні рухи вздовж осі В0г) і кінетичної енергії важелю ££> (який здійснює коливальні обертальні рухи у вертикальній площині навколо циліндричного шарніру О). Тому

_ т, .2 і .і ^ = у*2+-ф2,

де І - момент інерції стержня ЕЮ відносно осі, що проходить через точку О перпендикулярно площині рисунка. Оскільки стержень ЕО однорідний, його центр ваги знаходиться посередині стержня, тобто в точці С, відстань якої до

.

/, +/2

кінців Е і £>стержня дорівнює

На підставі залежності між моментами

і

12

нерції відносно паралельних осей маємо І = Іс+т2сі . Тут 1С =

центральний момент інерції стержня, / = /,+/2 - його довжина,

= 0.2 м - віддаль від центра ваги С стержня до

СІ = ОС = -1.

т

( І1

-+сі2 12

= 0.28 кгм .

очки О. Отже, / = т.

Потенціальну енергію системи я = пі + п2 знайдемо як суму потенціальної енергії я, важеля і вантажу в полі сил ваги і потенціальної енергії я2 деформованих пружин. Із формули (22.42) посібника [2] випливає, що

А(МКМП) = я(АГк) - л(Л/п), тобто потенціальна енергія системи дорівнює роботі сил при переміщенні системи із збуреного (відхиленого) положення в нульове (положення статичної рівноваги). Отже,

X-і,

я

-Ф.

(4.5)

і =А = ОС-$ іп *

я, = тгі

Якщо пружину розтягнуто вздовж осі Ох на величину х (де О — кінець недеформованої горизонтальної пружини), то потенціальна енергія

деформованої пружини я = ^х2 (див. с. 89 посібника [2]). ••

В даній задачі потенціальну енергію пружин (рис. 4.2) знайдемо, розглянувши спочатку переміщення системи із відхиленого положення в

положення, що відповідає недеформованим пружинам, а потім із цього положення - в положення спокою.

Деформації пружин у відхиленому (збуреному) положенні позначимо

  1. /,<р ± А, для пружини 1; ^2/2ф ± Д2 для пружини 2; £3/3ф + г + Л3 для пружини

  1. Отже

^+у 2Л- "іА' ^-$(АФ±А.)а+

+ ^-(/2Ф± дг)2 +^(/3ф + г + Л3)2 -|ді -|д2 -|д2 = |/,У +

+ у/2ф2 + у(М> + *)2 ±с,/,Д,ф±с2/2Д2ф + с3Д3(/3ф + 2).

Потенціальна енергія всієї системи у відхиленому (збуреному) положенні є такою:

71 = -/Иій2 + ІИ2^^1ф + ^-(с|/12 +С2/22 +С3/2) + С3/32ф + ^-г2 ±

± с,/, Д ,ф ± с2/2 Д 2ф + с3/3Д3ф + с3 Д3г.

Узагальнені координати було вибрано таким чином, що у стані рівноваги (спокою) системи їхні значення є: 2-0, ф = 0. Оскільки системи

консервативна, то умови рівноваги визначаються рівностями

=

= 0,

0,

:=0

ф=0

г=0

Ф=0

тобто

  • —

    -т,£ + с3Д3 =0, Щ8

    (4.7)

    ± є,/,Д, ± с2/2Д2 + с3/3Д3 = 0.

Залежності (4.7) між параметрами системи є необхідними і достатніми для її рівноваги на підставі умов рівноваги (4.7) лінійні члени у виразі (4.6) взаємно знищуються, і потенціальна енергія (4.6) набуває стандартного (для теорії малих коливань навколо положення стійкої рівноваги) вигляду квадратичної форми узагальнених координат:

Л = у 22 + с3/3гФ + і (с,/,2 + с2/2 + с3/32 )Ф2.

Кінетична енергія системи є квадратичною формою (4.4) узагальнених швидкостей. Далі обчислюємо необхідні для розгортання рівнянь (4.3) похідні:

дТ Л дТ . дя

— = 0, — = ТПХ2> — = С32 + С3/3Ф,

(4.8)

Р 4

■ но г [ь .«шм 5

у 7

= 0, 8

І/=0 М =0, 8

У„ 10

Р 20

= 0, 61

с, =400—, с2 =2000—, / = їм. см рад 57

л н , н 59

, Н , 64

(/ф + (с,/,2 + с2/2 + с3/2 )ф + С3/3Г = 0.

Відмітимо, що коливання по координатах г і ф є зв’язаними, лише завдяки

пружині 3: при с3* = 0 система (4.9) четвертого порядку розпадається на два

незалежні диференціальні рівняння другого порядку.

Частинний розв’язок системи рівнянь (4.9) шукаємо у формі

2-АзЩ(6ґ + ос), ф = Взіп(о)Г + а). (4.10)

Тут А і В - амплітуди головних коливань, со - кругова частота вільних

коливань, а - початкова фаза коливань. Підставимо функції (4.10) в (4.9):

Г(с3 -ті(й2)А + с313В = 0,

| с313А + (с,/,2 + сгі\ + е3/3 - /о2 )В = 0.

З необхідної і достатньої умови існування нетривіального розв’язку цієї лінійної однорідної (відносно невідомих А і В) системи алгебраїчних рівнянь

с

= 0

ъ~тх со2 с3/3

с3/3 с,/2 + сгі\ + с3/3 - /со:

дістаємо рівняння частот

А((02) = (с3 -/и,а>2)(с,/2 + с2/2 + с3/32 - /со2) - с3/32 = 0,

або

А(со2) = т,/со4 - [с3/ + тх (с,/,2 + с2122 + с3/3)]со2 + с3(с,/2 + с2/2) = 0. Позначимо П = со . Для знаходження СІ маємо квадратне рівняння

Д(02) = ія,/П ~[с3/ +/и,(с,/2 + с2/2 +с3/2)]п + сз(с1/12 + с2/2) = 0.

По двох додатних його коренях П, і П2 можна знайти дві частоти вільних коливань со, = 66.4с'1; со2=104с‘|. Кожній частоті вільних коливань

відповідають два головні коливання з амплітудами Л,, Д, і А2,В2:

+

со,

с3/3Я, =0,

1с3/3Л, +(с,/,2 +с2/22 +с3/3 -/со*)£, = 0

(

со2 ->

с3 -тх(й\)А2 + с312В2 = 0,

с3/3Л2 +(с,/,2 +с2/2 + с3/3 -/со2)В2 = 0.

Звідси

5, . ^со2 -с3 Л, с3/3

В, т.со2-с,

Ці. Т-= /

2

Підставивши числові значення параметрів, одержуємо коефіцієнти форм

коливань: ц, =-1.49-—, ц2 = 1.2-—.

м м

Н а підставі (4.10) перше головне коливання описується рівняннями £ 2, = Ах зіп(66.4/ + а,),

Ф, = -1.49 А1 зіп(66.4ґ + а1); друге головне коливання описується рівняннями

22 = А2 зіп(104/ + а2), ср2 = 1.2і42 $іп(104ґ + а2).

П ершу форму коливань показано на рис. 4.3. Оскільки коефіцієнт форми ц, <0, то в першому головному коливанні додатному значенню змінної 2 відповідає від’ємне

значення змінної ф. Другу форму коливань показано на рис. 4.4. Оскільки

коефіцієнт форми > 0, то у другому головному коливанні обидві змінні 2 і

ф мають однаковий знак (на рис. 4.4 він додатний). Загальний розв’язок

системи диференціальних рівнянь (4.9) є таким:

= + г2 = 8Іп(66.4/ + а,) + Л2 5Іп(104/ + а2},

[ф = ф, + ф2 = -0.0149Л, зіп(66.4/ + а,) + 0.012Л2 зіп(66.4/ + а2).

Постійні інтегрування Л,, Л2, а, і а2 визначаються із початкових умов задачі.