Sammanfattning av Föreläsning i. Svängningsrörelse (FMEA10) Svängningsrörelse, fria odämpade svängningar ( )

Relevanta dokument
Föreläsningar i Mekanik (FMEA30) Del1: Statik och partikeldynamik. Läsvecka 7

Stela kroppens rotation kring fix axel

Stången: Cylindern: G :

Tillämpad biomekanik, 5 poäng Plan rörelse, kinematik och kinetik

Resultatet av kryssprodukten i exempel 2.9 ska vara följande: Det vill säga att lika med tecknet ska bytas mot ett plustecken.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Genomgånget på föreläsningarna Föreläsning 26, 9/2 2011: y + ay + by = h(x)

= x 1. Integration med avseende på x ger: x 4 z = ln x + C. Vi återsubstituerar: x 4 y 1 = ln x + C. Villkoret ger C = 1.

Problem 2 löses endast om Du hade färre än 15 poäng på duggan som gavs arctanx sin x. x(1 cosx) lim. cost.

c n x n, där c 0, c 1, c 2,... är givna (reella eller n=0 c n x n n=0 absolutkonvergent om x < R divergent om x > R n n lim = 1 R.

H1009, Introduktionskurs i matematik Armin Halilovic POLYNOM, POLYNOMDIVISION, ALGEBRAISKA EKVATIONER, PARTIALBRÅKSUPPDELNING. vara ett polynom där a

Inledande matematisk analys (TATA79) Höstterminen 2016 Föreläsnings- och lekionsplan

Ekvationen (ekv1) kan beskriva en s.k. stationär tillstånd (steady-state) för en fysikalisk process.

Tentamenskrivning, , kl SF1625, Envariabelanalys för CINTE1(IT) och CMIEL1(ME ) (7,5hp)

Räkning med potensserier

vara ett polynom där a 0, då kallas n för polynomets grad och ibland betecknas n grad( P(

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 22 oktober 2018 kl

Kontrollskrivning 3 i SF1676, Differentialekvationer med tillämpningar. Tisdag kl 8:15-10

Föreläsning 17: Jämviktsläge för flexibla system

θx θ 1 om 0 x 1 f(x) = 0 annars

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 1-6, 29/10-8/11, = m n

Del A. x 0 (1 + x + x 2 /2 + x 3 /6) x x 2 (1 x 2 /2 + O(x 4 )) = x3 /6 + O(x 5 ) (x 3 /6) + O(x 4 )) = 1 + } = 1

Tenta i MVE025/MVE295, Komplex (matematisk) analys, F2 och TM2/Kf2

Fourierserien. fortsättning. Ortogonalitetsrelationerna och Parsevals formel. f HtL g HtL t, där T W ã 2 p, PARSEVALS FORMEL

Övning 3 - Kapitel 35

Om komplexa tal och funktioner

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 1.1

Introduktion till statistik för statsvetare

101. och sista termen 1

DEL I. Matematiska Institutionen KTH

Trigonometriska polynom

LINJÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER AV HÖGRE ORDNINGEN

Vad är det okända som efterfrågas? Vilka data är givna? Vilka är villkoren?

TNA001- Matematisk grundkurs Tentamen Lösningsskiss

TNA001 Matematisk grundkurs Övningsuppgifter

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE035

Linjär Algebra (lp 1, 2016) Lösningar till skrivuppgiften Julia Brandes

Datum: 11 feb Betygsgränser: För. Komplettering sker. Skriv endast på en. finns på omslaget) Uppgift. Uppgift 2 2. Uppgift. Beräkna.

Ekvationen (ekv1) kan beskriva vågutbredning, transversella svängningar i en sträng och andra fysikaliska förlopp.

Tentamen i Linjär Algebra, SF december, Del I. Kursexaminator: Sandra Di Rocco. Matematiska Institutionen KTH

Svar till tentan

Nr Bilaga 1. Det rekommenderade värdet för flödestätheten i ett statiskt magnetiskt fält (0 Hz).

5. Linjer och plan Linjer 48 5 LINJER OCH PLAN

1. BERÄKNING AV GRÄNSVÄRDEN ( då x 0 ) MED HJÄLP AV MACLAURINUTVECKLING. n x

vara ett polynom där a 0, då kallas n för polynomets grad och ibland betecknas n = grad( P(

b 1 och har för olika värden på den reella konstanten a.

Genomsnittligt sökdjup i binära sökträd

MS-A0409 Grundkurs i diskret matematik Sammanfattning, del I

Lösningar till tentamensskrivning i kompletteringskurs Linjär Algebra, SF1605, den 10 januari 2011,kl m(m + 1) =

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Kompletterande kurslitteratur om serier

Mekaniska vibrationer. Hjulupphängning. Fria odämpade svängningar. Svängningstiden för pendelrörelsen. Approximationen sin

Minsta kvadrat-metoden, MK. Maximum likelihood-metoden, ML. Medelfel. E(X i ) = µ i (θ) MK-skattningen av θ fås genom att minimera

1. Rita följande tidssekvenser. 2. Givet tidssekvensen x n i nedanstående figur. Rita följande tidssekvenser.

4. Uppgifter från gamla tentor (inte ett officiellt urval) 6

NEWTON-RAPHSONS METOD (en metod för numerisk lösning av ekvationer)

Dagens föreläsning. Partikelrörelse. Föreläsning 2 Rörelselagar och simuleringar - ett steg i taget

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Att repetera.

Sida 1 av 12. vara ett inkonsistent system (= olösbart system dvs. ett system som saknar lösning). b =.

Linköpings tekniska högskola IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 3. strömningslära, miniräknare.

Induktion LCB Rekursion och induktion; enkla fall. Ersätter Grimaldi 4.1

Borel-Cantellis sats och stora talens lag

Grundläggande matematisk statistik

a) Beräkna E (W ). (2 p)

För att skatta väntevärdet för en fördelning är det lämpligt att använda Medelvärdet. E(ξ) =... = µ

Vid mer än 30 frihetsgrader approximeras t-fördelningen med N(0; 1). Konfidensintervallet blir då

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 14 dec 2009 klockan 14:00 19:00.

Föreläsning 2: Punktskattningar

Tentamen i Envariabelanalys 1

Visst kan man faktorisera x 4 + 1

TENTAMEN. Datum: 11 feb 2019 Skrivtid 8:00-12:00. Examinator: Armin Halilovic Jourhavande lärare: Armin Halilovic tel

= (1 1) + (1 1) + (1 1) +... = = 0

Lycka till! I(X i t) 1 om A 0 annars I(A) =

Uppgifter 3: Talföljder och induktionsbevis

TFM. Avdelningen för matematik Sundsvall Diskret analys. En studie av polynom och talföljder med tillämpningar i interpolation

LÖSNINGAR TILL. Räkningar: (z i z) 2 = , Δ = z = 1 n. n 1. Konfidensintervall:

Funktionsteori Datorlaboration 1

ENDIMENSIONELL ANALYS B1 FÖRELÄSNING VI. Föreläsning VI. Mikael P. Sundqvist

Tommy Färnqvist, IDA, Linköpings universitet

F4 Matematikrep. Summatecken. Summatecken, forts. Summatecken, forts. Summatecknet. Potensräkning. Logaritmer. Kombinatorik

Andra ordningens lineära differensekvationer

är ett tal som betecknas det(a) eller Motivering: Determinanter utvecklades i samband med lösningsmetoder för kvadratiska linjära system.

Intervallskattning. c 2005 Eric Järpe Högskolan i Halmstad. Antag att vi har ett stickprov x 1,..., x n på X som vi vet är N(µ, σ) men vi vet ej

Två enkla egenvärdesproblem. Två - gissningsvis välbekanta - egenvärdesproblem

NEWTON-RAPHSONS METOD (en metod för numerisk lösning av ekvationer)

95%-igt konfidensintervall för andel kalsongbärare i populationen: Slutsats: Med 95% säkerhet finns andelen kalsongbärare i intervallet 38-48%

Mekanik Föreläsning 8

MS-A0409 Grundkurs i diskret matematik I

. Mängden av alla möjliga tillstånd E k kallas tillståndsrummet.

Digital signalbehandling Fönsterfunktioner

Tentamen i Statistik, STA A13 Deltentamen 2, 5p 5 juni 2004, kl

REGULJÄRA SPRÅK (8p + 6p) 1. DFA och reguljära uttryck (6 p) Problem. För följande NFA över alfabetet {0,1}:

Formelsamling Elektriska kretsar

3 Signaler och system i tidsplanet Övningar 3.1 Skissa följande signalers tidsförlopp i lämpligt tidsintervall

EGENRUM, ALGEBRAISK- OCH GEOMETRISK MULTIPLICITET

Stokastiska variabler

som är styckvis kontinuerlig och har styckvis kontinuerlig derivatan. Notera att f (x)

Induktion och Binomialsatsen. Vi fortsätter att visa hur matematiska påståenden bevisas med induktion.

Multiplikationsprincipen

TENTAMEN I MATEMATISK STATISTIK Datum: 13 mars 08

KVADRATISKA MATRISER, DIAGONALMATRISER, MATRISENS SPÅR, TRIANGULÄRA MATRISER, ENHETSMATRISER, INVERSA MATRISER

Transkript:

Mekaik Sammafattig av Föreläsig i Svägigsrörelse (FMEA) Svägigsrörelse, fria oämpae svägigar (.-.3) Partikelpeel (De matematiska peel): E partikel P me massa m är fästa i si ea äe på e lätt, fullkomligt böjlig lia, me läge L, som, i si ara äe, är fästa i e fix pukt O. Peel tillåts sväga i ett vertikalpla och påverkas å av tygkrafte. Evetuella krafter frå e omgivae lufte försummas. Frilägg partikel P, iför e yttre kraftera späkrafte i lia: S = e ( S) och tygkrafte: mg. Om vi förutsätter att lia ite ka ta tryckkrafter så måste S. r Figur. Partikelpeel. Vi iför pla-polära kooriater ( r, θ ). Då gäller att r = r = r OP e r och ärme erhålles hastighete v = r = err + e rr = err + eθr θ = eθl θ eftersom r = L är e kostat, v s L =. Följaktlige blir acceleratioe a = v = e L θ + e L θ = e ( L θ ) + e L θ (.) θ θ r θ Kraftekvatioe ger villkoret: S+ mg = a m (.)

Mekaik vilket är ekvivalet me ( r le) : S + mg cosθ = ml θ (.3) ( θ le) : mg siθ = ml θ (.4) Ekvatio (.4) ka skrivas θ + siθ = är g = (.5) L Detta är e oriär ifferetialekvatio av ara orige. E lösig till ifferetialekvatioe ges av e fuktio θ = θ() t som satisfierar (.5). För att lösige skall vara etyig krävs att begyelseata föreskrivs θ( ) = θ, θ( ) = θ (.6) är θ och θ är giva kostater (begyelseväre). Observera att θ() t = θ är e lösig till (.5) me begyelse ata θ = och θ =. Detta svarar mot e statiska jämviktslösige å peel häger rakt e och är i vila. När peels rörelse θ = θ() t är kä ka vi bestämma späkrafte i lia S geom att utyttja (.3), vs. S = S() t = mg cos θ() t + ml θ() t (.7) Uppgift.: Visa att begyelseata θ = π och θ = svara mot e statisk jämviktslösig. Va gäller för å för späkrafte? För att lösa ifferetialekvatioe (.5) multiplicerar vi ekvatioes båa le me θ, eligt och etta är ekvivalet me θθ + θ θ siθ = ( cos θ) = t θ () t θ cos θ( t) = cosθ (.8) vs. vi har u erhållit e ifferetialekvatio av första orige. De är emellerti olijär och ess lösig ka ite uttryckas i elemetära fuktioer (som tex. polyom och trigoometriska fuktioer). Lösigara ka uttryckas i såkallae elliptiska fuktioer me

Mekaik vi kommer ite att gå i på etta här uta öjer oss me att kostatera att svägigstie, vs. tie för e fullbora svägigsrörelse (perio), å θ( ) = θ och θ ( ) =, ges av 4 θ θ τ= τθ ( ) = τ( + + +...) (.9) 6 37 är τ π =, = g L 9 8 7 τ( α) τ 6 5 4 3 8 36 54 7 9 8 6 44 6 8 α Figur. Svägigstie τ för e matematisk peel som fuktio av utslagsvikel α Små svägigar (vibratioer): I tekiska tillämpigar är ma ofta itressera av små svägigar, vs. svägigar me lite amplitu, krig ett statiskt jämviktsläge. Om vi i fallet partikelpeel betraktar små svägigar (små vikelutslag) krig et statiska jämviktsläget θ = ka vi utyttja Maclauris formel ( Eim. si. 44) för siusfuktioe, vs. 3 5 θ θ si θ = θ +... 3! 5! För små θ har vi sålees approximatioe siθ θ och vi ka ersätta ifferetialekvatioe (.5) me θ+ θ= (.) Detta utgör staarforme för e ifferetialekvatio som matematiskt beskriver fria oämpae små svägigar. Lösigar θ = θ() t till (.) ka sägas utgöra approximatioer till lösigar till (.5) om vikel θ är tillräckligt lite. För vilka viklar gäller approximatioe siθ θ? I eaståee figur visas kvote siθ som fuktio av θ i θ itervallet θ 45. Som framgår av figure så är approximatioe go i itervallet θ < 5 och hyfsa i itervallet 5 θ 45. 3

Mekaik.99.98.97 π si 8 θ.96 π.94 8 θ.93.9.9.9 5 5 5 3 35 4 45 Figur.3 siθ som fuktio av θ θ Små peelsvägigar ges u av ifferetialekvatioe (.) me begyelseata eligt (.6). Hur löser ma etta? Vi provar me e asättig i form av e lieärkombiatio av harmoiska fuktioer (vs. sius och cosius). Asats: θ( t) = Asit+ Bcost är AB, och är kostater som skall bestämmas så att (.) och (.6) är uppfylla. Vi eriverar e asatta lösige e gåg och e gåg till etta isatt i (.) ger θ( t) = Acos t Bsi t θ() t = A sit B cos t = θ() t θ() t + θ() t = ( ) θ() t = Om vi u atar att θ () t ite är ietiskt lika me oll (vs. jämviktslösige) så följer att = =± De asatta lösige ka å skrivas θ( t) = Asi t+ Bcos t och me utyttjae av begyelseata (.6) erhålles θ( ) = B= θ,. θ( ) = A = θ A= θ 4

Mekaik och vi har lösige: θ θ( t) = sit+ θcost = asi( t+ ϕ) (.) är, om θ > (se Eim. si. 6) θ a = ( ) + θ, θ arcta( ), θ > θ π ϕ =, θ = θ arcta( ) + π, θ < θ (.) är a beämes svägiges amplitu, ess egevikelfrekves (aturliga vikelfrekves) och ϕ ess fasvikel. Svägiges egesvägigsti och egefrekves ges av τ π = och f = = τ π Exempel.: Atag L =. m och g = 9. 8ms. Detta ger = 3. 3ra s. me begyelseata θ = och θ = 8 s erhålles rörelse eligt eaståee figur. 4 θ( t) 4 4 6 t Figur.4 Peelsvägig me vikel θ i graer. Uppgift.: Bestäm egesvägigstie för rörelse i Exempel. ova. Fjäer-massa system: Hur fugerar e fjäer? Jo, e kraft som krävs för att trycka i hop (eller sträcka ut) fjäer är proportioell mot hoptryckige (respektive utsträckige), vs. 5

Mekaik Ff = k l (.3) är F f är fjäerkrafte, l = l l är fjäers lägärig, l är fjäers aktuella läg vi belastig me krafte F f, l är fjäers ospäa (obelastae) läg och k är fjäerkostate som represeterar ett mått på fjäers styvhet. Ekvatio (.3) efiierar e såkalla lijärt elastisk fjäer. Vi stuerar u följae problem. E vag me massa m ka röra sig uta motstå på ett horisotellt uerlag (e rullar lätt). Vage är koppla till e lijärt elastisk fjäer me fjäerkostate k och e ospäa läge l. Frilägg vage! Iför fjäerkrafte F f, tygkrafte mg och ormalkraftera N, N. Iför lägeskooriate z. Kraftekvatioe: Figur.5 Fjäer-massa system. ( ): Ff = zm (.4) är F = kz ( l). Detta ger ifferetialekvatioe ( z fjäers aktuella läg) f k( z l ) = zm (.5) Iför variabel x= z l, vs. x är fjäers förlägig. Då ka (.5) skrivas x+ x=, k = (.6) m är vi utyttjat att z = x. Begyelseata hörae till (.6) ges av x ( ) = x, x ( ) = v (.7) Vi ka kostatera att ekvatioera (.6)-(.7) har samma matematiska form som ekvatioera (.), (.6) i fallet me partikelpeel och lösigara måste ärför ha samma form. Uppgift.3: Skriv upp lösige till (.6)-(.7). 6

Mekaik Geom att aväa eergiekvatioe ka vi erhålla e alterativ härleig av ekvatio (.6). Systemets mekaiska eergi E = mx + kx kietisk eergi elastisk eergi (.8) Eligt effektlage gäller E = P är P är effekte av övriga krafter, (förutom fjäerkrafte), som verkar på vage, vs. eligt figur.5 tygkrafte och ormalkraftera. Dessa krafter är emellerti vikelräta mot vages hastighet och ärför effektlösa. Sålees gäller att P= och ärme E = ( mx + kx ) = mxx + kxx = x ( mx + kx) = t Sålees, om x så följer att mx + kx = vilket är rörelseekvatioe för vage. Sammafattig (Fria, oämpae svägigar),, Fria ämpae svägigar (.4) De ämpae partikelpeel: (Detta avsitt ka överhoppas) Vi stuerar åter partikelpeel me atar u att lia är utbytt mot e lätt, stel ståg me läge L. 7

Mekaik Dessutom verkar ett bromsae friktiosmomet M f frå lagrige i O på ståge. Vi frilägger hela peel, vs. partikel + ståg och iför et system av yttre krafter och momet som verkar på peel. Figur. I pukte O agriper reaktioskraftskompoetera V, H samt friktiosmometet Tygkrafte mg agriper partikel eftersom ståge betraktas som lätt. Mometekvatioe: MO = H O är H r v r v e e e B M f. O = OP P mp = OP P m = rl θ Lθm = z ml θ O : M f mg Lsi θ = ( ml θ) = ml θ ml θ + M f + mg Lsiθ = t (.) Vi atar u att et bromsae mometet M f ges av M f = cθ (.) är c Nms ra är e positiv kostat, e såkallae ämpigskostate. Motstået, i form av mometet M f, är sålees proportioellt mot peels vikelhastighet och motriktat rörelse, se figure ova! Ma brukar beäma ett rörelsemotstå av ea typ visköst. Ekvatio (.) ka u skrivas ml θ + c θ + mg Lsiθ = (.3) 8

Mekaik Vi oterar att θ = θ() t = är äve i etta fall e lösig till (.3), e såkallae jämviktslösige. Vi betraktar små svägigar krig jämviktslösige och utyttjar approximatioe siθ θ. Detta ger oss rörelseekvatioe (.4) ml θ + cθ + mg Lθ = eller c θ+ θ+ θ = (.5) ml g är =. Vi iför u ämpigsfaktor (e relativa ämpige) ζ (grekiskt zäta ) L efiiera av c c ζ = = (.6) 3 ml m gl Dämpigsfaktor ζ är e icke-egativ, imesioslös storhet. Rörelseekvatioe (.5) ka u skrivas θ + ζ θ+ θ = (.7) Detta utgör staarforme för e ifferetialekvatio som matematiskt beskriver fria ämpae svägigar. Uppgift.: Härle (.) geom att utgå frå Effektlage, E = P. Formulera å effekte för et bromsae mometet M f! Fjäer-massa-ämpare system: Förutom fjäer så har e viskös ämpare kopplats till vage eligt figure ea. De viskösa ämpare ger upphov till e ämpkraft F efiiera eligt F = cx (.8) är ämpigskostate c Nsm. Vi väljer e lägeskooriat x så att x= svarar mot ospä fjäer. Då erhålles Kraftekvatioe: 9

Mekaik ( ): F Ff = xm (.9) Me utyttjae av (.8) och Ff = kx erhålles, i kombiatio me (.9), rörelseekvatioe är x+ ζ x + x= (.) k =, m c c ζ = = (.) m km Figur. Hur löser ma ifferetialekvatioe (.)? Uppgift.: Ka e tiigare asatse xt ( ) = Asit+ Bcostkomma ifråga som lösig? Prova! Eligt Eim. si 378 Sats gäller följae (vi aväer λ i stället för r som variabel): Låt λ och λ vara ollställe (i allmähet komplexa, vs λ, λ ) till et karakteristiska polyomet Då ges samtliga lösigar till (.) av p( λ) = λ + ζ λ+ (.) xt = Ce + Ce, om λ λ (.3) λt λt () och av xt () = ( Ct+ C) e λ t, om λ = λ (.4)

Mekaik är C, C. Nollställea till karateristiska polyomet ges av ( i = ) är λ, ( ζ ± i ζ ) = ζ ± i if ζ < = ( ζ ± ζ ) if ζ (.5) = ζ, ζ < (.6) Vikelfrekvese beämes e ämpae egevikelfrekvese. Lösigara (.3)- (.4) ka å skrivas ζ t it it e ( Ce + Ce ) om ζ < ζ t xt ( ) = e ( Ct + C) om ζ = ζ t ( ζ t ) ( ζ t ) e ( Ce + Ce ) om ζ > (.7) Vi är ebart itresserae av reella lösigar. Dessa åstakommes om vi i (.7) väljer C = C (komplext kojugerae) och om vi i (.7), väljer C och C reella. Lösigara ges å av ζ t e ( Acost+ Asi t) om ζ < ζ t xt ( ) = e ( At + A) om ζ = ζ t ( ζ t ) ( ζ t ) e ( Ae + Ae ) om ζ > (.8) är A, A. Vi ser att karaktäre hos lösigara beror kritiskt på relativa ämpige ζ. Vi har följae fall: (i) ζ <, svag ämpig. Rörelse ges av e ämpa oscillerae lösig eligt (.8) ova. (ii) ζ =, kritisk ämpig. Rörelse ges av e ämpa lösig eligt (.8). (iii) ζ >, stark ämpig. Rörelse ges av e ämpa lösig eligt (.8) 3. Vi oterar att ζ = svarar mot oämpat system. Atag svag ämpig ( ζ < ) och begyelseata eligt (.7). Av (.8) följer att Detta ger x ( ) = A = x, x ( ) = ζa+ A = v (.9) A = x, A = ( v + ζx) (.)

Mekaik och lösige ζ v + ζ x xt ( ) = e t ( x cos t+ si t) (.) vilket represeterar e ämpa oscillerae rörelse me vikelfrekvese. Observera att < vs. e ämpae svägigsrörelse sväger lågsammare ä e oämpae. De ämpae svägiges perioti, τ, ges av τ π = = τ ζ (.).5 x h ( t, ζ).5...3.4.5 t Figur.3 Svagt ämpa svägig. Uppgift.3: Skriv lösige (.) på forme ζ x( t) = ae si( t + ϕ) (.3) t vs. bestäm a och ϕ! I följae grafer ges exempel på kritisk och stark ämpig.

Mekaik.8.8 x h ( t, ζ).6.4 x h ( t, ζ).6.4.....3.4.5 t...3.4.5 t Figur.4 Kritisk och stark ämpig. Hur bestämmer ma ämpigsfaktor ζ för ett svag ämpat system. Atag att vi har tillgåg till tisförloppet x= xt (), atige geom e irekt mätig på systemet eller geom e simulerig i e moell av systemet, t.ex. i ADAMS. Se figure ea! 3 x h ( t, ζ) 3 4..4.6.8 t Figur.4 Mätig av relativa ämpige. Välj två tipukter t och t är t t = kτ, k= 3,,... Om vi utyttjar (.3) erhålles Detta ger ζ x x( t ) ae t ζ = = si( t + ϕ), x = x( t ) = ae t si( t + ϕ) (.4) x ζ( )si( ) si( ) si( ) t t t+ ϕ ζ kτ t+ ϕ ζ kτ t+ ϕ = e = e = e = x si( t + ϕ) si( t + kτ + ϕ) si( t + ϕ+ kπ) k = e ζ τ (.5) 3

Mekaik Detta ger ef x πζ δ = l = ζτ = k x ζ (.6) är δ är et såkallae logaritmiska ekremetet. Detta ka bestämmas geom mätigar i grafe för x= xt (). Ur (.6) ka vi lösa ämpigsfaktor som fuktio av et logaritmiska ekremetet, ζ = 4π + δ Exempel. Ur figur.4 ova avläser vi k = 6, x = 9., x =. 44. Detta ger δ =. 34 och ärme ζ =. 5. Sammafattig (Fria, svagt ämpae svägigar, ),, Påtvigae svägigar (.5) E maski me massa m är uppställ på ett fixt fuamet via ett fjäer-ämpar system eligt eaståee figur. Maskie påverkas, förutom av tygkrafte, av e yttre kraft F= Ft (). Bestäm maskies rörelse! Vi frilägger maskie och iför yttre krafter: Fjäerkrafte F f, ämpkrafte F, tygkrafte mg och e yttre pårivae krafte F. 4

Mekaik Figur 3. Maski på fjäer-ämpar-system Kraftekvatioe: ( ): F Ff mg + F = mz (3.) är F = cz, Ff = kl ( l), är fjäers aktuella läg l = z a. Sålees Ff = kz ( a l). Detta ger rörelseekvatioe: mz + cz + kz+ mg k( a+ l ) = F (3.) Jämviktsläget z = z å Ft () = (ige yttre last) uppfyller, eligt (3.) ekvatioe mg kz + mg k( a+ l) = z = a+ l (3.3) k Vi iför u kooriate x= z z, vs. x är förskjutige av maskie frå jämviktsläget. Ekvatio (3.) ka å skrivas etta ka skrivas på ormalforme c k F mx + cx + kx= F x+ x + x= (3.4) m m m F x+ ζx + x= (3.5) m k c är =, ζ =. Vi atar u att e yttre pårivae krafte är harmoisk, vs. m m 5

Mekaik F = F sit (3.6) är F, kraftes amplitu, och, kraftes vikelfrekves, är giva kostater. Observera att har iget me egevikelfrekvese att göra! Ekvatioe (3.5) ka u skrivas F x+ ζx + x= sit (3.7) m De allmäa lösige till (3.7) ka skrivas xt () = xh() t + xp() t är xh = xh() t är e lösig till e homogea ifferetialekvatioe x + ζ x + x = (3.8) h h h vs. xh = xh() t är e fri svägig ( F = ) som, för fallet svag ämpig ( ζ < ), ka ζ skrivas x ( ) t h t = ae si( t + ϕ). Fuktioe xp = xp() t är e såkalla partikulärlösig till ifferetialekvatioe (3.7), e (ågo) fuktio som satisfierar (3.7), vs. F xp + ζx p + xp = sit (3.9) m För att hitta e lösig till ea ifferetialekvatio komplexifierar vi problemet geom att skriva e yttre pårivae krafte på forme och stuera ifferetialekvatioe it Ft ( ) = Fe = F(cost+ isi t) (3.) F it xp + ζx p + xp = e (3.) m Vi kommer å att erhålla e complex-vär lösig xp = xp() t. De sökta reella lösige fås å som imagiärele av x p. Vi asätter i t x = x () t = Xe (3.) p p är X är ett komplext tal som vi skall bestämma så att (3.) blir e lösig till (3.). i t Isättig av (3.) i (3.) ger, å x = i Xe i t och x = Xe, p p it F it ( + iζ ) Xe = e (3.3) m 6

Mekaik Av etta följer, om ζ >, att X F = m + iζ (3.4) Observera att ämare i (3.4) är lika me pi ( ) är p = p( λ) är et karakteristiska polyomet efiierat i (.). E (komplex) partikulärlösig till (3.) ges å av F xp () t = m e + iζ it (3.5) De statiska jämviktslösige till (3.) som svarar mot e kostat yttre kraft Ft () = F fås som ett specialfall av (3.5) geom att sätta =, vs. x F F = = (3.6) stat m k Vi ka å skriva xp () t = x stat e = xstat e = x stat e + iζ ( ) + iζ θ + iζ θ it it it är frekveskvote θ =. Om vi skriver ämare i (3.7) på polär form (3.7) i θ + iζθ = ( θ ) + 4ζ θ e φ (3.8) är vikelargumetet (fasvikel) φ ges av ζθ arcta( ), θ θ φ= φθζ (, ) = ζθ arcta( ) + π, θ > θ (3.9) ka (3.7) u skrivas 7

Mekaik F xp () t Me k i( t φ) = (3.) är M = M( θζ, ) är e såkallae förstorigsfaktor efiiera av M( θζ, ) =, θ ( θ ) + 4ζ θ (3.) Om vi u tar imagiärele av (3.) erhålles e partikulärlösig till ifferetialekvatioe (3.7). Dea brukar kallas e av F påtvigae svägige hos systemet, F xp ( t) = M si( t φ) (3.) k Observera att e påtvigae svägige har samma frekves som e yttre pårivae krafte F. Svägige går i takt me krafte. Amplitue ges av e statiska jämviktslösige multiplicera me förstorigsfaktor. De allmäa lösige till ifferetialekvatioe (3.) ka å skrivas ζ F x() t = x () () t si( ) h t + xp t = ae t + ϕ + M si( t φ) (3.3) k egesvägig påtviga svägig De första ele av lösige represeterar systemets egesvägig och e ara ele e påtvigae svägige. Dessa sväger me frekvesera respektive och svägige blir ärme ågot oregelbue till att börja me, se figure ea! Ibla kallas ea el av rörelse för e trasieta ele. Lösige iehåller två gotyckliga kostater a och ϕ som ka apassas till begyelseata. Observera att äve om x ( ) = x =, x ( ) = v = så kommer birag frå egesvägige att fis me i lösige. Egesvägige ämpas ut via expoetial-fuktioe och blir efter e viss ti försumbar. Efter ea ti omieras lösige av e påtvigae svägige och ea el brukar beämas fortfarighetstillstå. Se figure ea! Va häer me lösige (3.3) om ämpige är lika me oll, vs. om ζ =? Vi får å lösige är förstorigsfaktor M ges av F xt ( ) = asi( t+ ϕ) + Msi( t φ) (3.4) k M( θ) =, θ θ (3.5) 8

Mekaik och fasvikel π φ = vilket ger lösige F xt ( ) = asi( t+ ϕ) cost k θ (3.6) Observera att i etta fall har vi iget trasietförlopp. Egesvägigara är oämpae och birar fullt ut som e el av lösige för alla tier. Notera också att är θ, vs. är så gäller att xt () för alla tier. Detta feome beämes resoas..78.56.33 x( t)...33.56.78.3.46.69.9.5.38.6.84.6.9 t l ( ) Trasietförlopp Fortfarighetstillstå Figur 3. De påtvigae svägige. För förstorigsfaktor M = M( θζ, ) gäller, eligt (3.), att M (, ζ ) = för alla ζ och lim M( θζ, ) = för alla ζ. Om ζ < så har förstorigsfaktor ett maxväre θ M max som atas för θ = θres = ζ. Motsvarae vikelfrekves res ζ = (3.7) kallas resoasvikelfrekvese. Vi ea frekves är sålees förstorigsfaktor som störst uer förutsättig att ζ <. Mmax = M( θres, ζ) = ζ ζ (3.8) 9

Mekaik Om ζ så är M = M( θζ, ) e mootot avtagae fuktio av θ, vs Mmax = M (, ζ ) =. I figure ea visas grafer för förstorigsfaktor för e relativa ämpigara ζ =. 5, ζ =. och ζ =. 7, respektive. 8 förstorigsfaktor M( θ,.5) M( θ,.) M( θ,.7) 6 4.5.5.5 θ Figur 3.3 Förstorigsfaktor. Vi kostaterar att ζ =. 5 M max, ζ =. Mmax 5 och ζ =. 7 M max =. Se figure ova. Vi ka u ietifiera tre viktiga frekveser som hör till ett svägae system: : (aturlig) egevikelfrekves = : ämpa egevikelfrekves ζ r ζ = : resoasegevikelfrekves Om ζ så gäller r och M max. ζ För fasförskjutige φ= φθζ (, ) gäller, eligt (3.9), φ(, ζ ) = för alla ζ, π φ(, ζ ) = för alla ζ och lim φθζ (, ) = π för alla ζ. I figure ea visas grafer för θ fasförskjutige för e relativa ämpigara ζ =. 5, ζ =. och ζ =. 7, respektive.

Mekaik 3.4.79.44 ra fasförskjutig [eg] φ( θ,.5).75 φ( θ,.) φ( θ,.7).9.4.5.7.35.5.5.5 θ Figur 3.4 Fasvikel. Exempel 3. De påtvigae svägige ges av F xp ( t) = M si( t φ) k Me förutsättigara m =. kg, k = 3Nm, ζ =. 5, F = 5N, = 3ra s erhålles = 54. 7ra s och ärme θ =. 55. I eaståee figur visas e påtvigae svägigara för = 3ra s och = r = 54. 6ra s res svarae mot resoas. För etta fall gäller M max..6..8 x p ( t, θ, ) ( ) x p t, θ r, r.4.4.8..6.5.5 t Figur 3.5 Påtviga svägig. De lösig vi hittills stuerat fugerar ej om ζ = och θ =, se (3.6). Hur ser å lösige ut i etta fall?

Mekaik Uppgift.4: Visa att om ζ = och = så är F xp( t) = tcos t k e påtvigae svägige, vs. e lösig till (3.9). Notera att amplitue växer proportioellt mot tie och över alla gräser. Typiskt för resoas vi oämpae svägigar. x p ( t) 5.67 8.33 5.67.67 5 8.33.67 5.46.9.38.84.9 t Figur 3.6 Påtviga svägig i fallet ζ = och =. Uppgift.5: Stuera Exempel.8 i Grukursboke!

Mekaik Sammafattig (Påtvigae svägigar) är och 3