Прямолінійні коливання матеріальної точки

Механічні рухи, які періодично повторюються, називаються механічними коливаннями. При цьому на матеріальну точку можуть діяти поновлюючі сили (сили, що намагаються повернути точку в положення рівноваги), сила опору руху, яка залежить від швидкості точки, та зовнішня збурююча сила. рух точки здійснюється по прямій, співпадаючої з сумісною лінією дії вказаних сил.

Залежно від комбінації цих сил розрізняють наступні види коливального руху.

3.4.1. Вільні коливання, які відбуваються під дією тільки поновлюючої сили, величина якої пропорційна відхиленню матеріальної точки від положення її статичної рівноваги.

Механічна схема, яка моделює вільні прямолінійні коливання вантажу (матеріальної точки) масою m у напрямку осі Ох показана на рис., де 1 - вантаж; 2 - пружина; 3 - нерухома основа. Тут: - довжина недеформованої пружини; - статична деформація пружини під дією вантажу; х - поточна координата вантажу відносно положення статичної рівноваги при його русі; - сила ваги (; - сила пружності пружини, яка є різновидністю поновлюючої сили де - повна деформація пружини; с - коефіцієнт жорсткості (пружності) пружини; точка О - положення статичної рівноваги

вантажу (початок відліку координати х); точка О1 – положення вільного кінця недеформованої пружини; точка О 2 - поточне положення вантажу на осі Ох. Основне рівняння динаміки вантажу має вигляд: (1) або , (2) де - прискорення вантажу. У положенні статичної рівноваги

вантаж 1 нерухомий, координата , а сила ваги ( зрівноважується силою пружності пружини, яка дорівнює .

Тому диференціальні рівняння руху вантажу приймають вигляд

або , (3)

де - кругова (циклічна, власна) частота коливань вантажу (матеріальної точки).

Закон коливань вантажу в цьому випадку буде

, (4)

де , - постійні інтегрування; - початкові умови (початкове положення і початкова швидкість вантажу на момент розгляду руху, тобто при ); , -

амплітуда і початкова фаза коливань точки.

У відповідності з (4) вантаж (матеріальна точка) здійснює гармонічний коливальний рух. Розглянута на рисунку механічна система називається консервативною.

Пружини, які з’єднують вантаж з основою, можуть утворювати систему паралельно, послідовно і паралельно-послідовно (змішано) з’єднаних пружних елементів. У цьому випадку подані на рисунках вихідні механічні

схеми необхідно методом еквівалентних перетворень звести до розрахункової схеми з одним пружним елементом, який має еквівалентну жорсткість с. Еквівалентна пружина на розрахунковій схемі при паралельному з’єднанні пружних елементів буде мати жорсткість , при послідовному з’єднанні ,

а при змішаному з’єднанні .

3.4.2. Вільні коливання матеріальної точки при наявності сил опору. При русі в середовищі (рідина), а також при деформації реальних пружин на матеріальну точку діє сила опору, яку при малих швидкостях руху можна вважати прямо пропорційною швидкість точки: , де b - коефіцієнт опору руху.

Механічна система, яка моделює в цьому випадку коливання вантажу наведена на рисунку. Умовні позначення в формулах та на рисунках розділу 3.4 співпадають. Диференціальне рівняння руху вантажу буде мати вигляд або ,

або ,

або ,

де - коефіцієнт демпфування коливань; .

Характер руху вантажу істотним чином залежить від співвідношення h і . Закон коливання вантажу у випадку малого опору (h < ) має вигляд

, (5)

де ; ; ; .

Відповідно рисунку механічна система називається дисипативною, а рух вантажу має затухаючий коливальний характер. При цьому амплітуда коливань з часом спадає за експоненціальним законом до нуля.

При (випадок великого опору) закон коливань вантажу буде мати вигляд

, (6)

де ; ;

; .

Це рівняння описує аперіодично затухаючий рух. Координата х вантажу при монотонно зменшується, а вантаж наближається до положення статичної рівноваги.

Гранично аперіодичний рух (граничний випадок) має місце при . Тут закон руху вантажу буде

, (7)

де ; .

Розглянутий рух (7) також є аперіодичним затухаючим ( при ).

3.4.3. Вимушені коливання у випадку, коли збурююча сила змінюється за гармонійним законом.

Силове збудження коливань

При силовому збудженні коливань збурююча сила прикладена безпосередньо до матеріальної точки (вантажу).

Розглянемо випадок консервативної системи: ; ; . Диференціальне рівняння руху вантажу має вигляд або , або . або , де

Закон коливання вантажу:

(8)

або ,

де ; ; ; .

Характер руху вантажу істотно залежить від співвідношення величин (власної частоти консервативної системи) і (частоти збурюючої сили).

Якщо або , то закон коливань вантажу бігармонійний (двочастотний). Відбувається накладення вільних коливань консервативної механічної системи на її коливання з частотою збурюючої сили. При цьому амплітуда і початкова фаза вільних коливань вантажу залежить одночасно і від початкових умов вантажу, параметрів збурюючої сили, і від механічних характеристик m, с самої системи.

У випадку близькості частоти збурюючої сили до частоти власних коливань (), виникає явище биття, при якому закон коливань вантажу (8) перетворюється, наприклад, при нульових початкових умовах на вигляд

. (9)

Такий рух називається биттям: коливальних рух, який відбувається з частотою збурюючої сили та амплітудою, яка являється періодичною (з частотою ) функцією часу.

При співпаданні частоти збурюючої сили з власною частотою вантаж коливається за законом

. (10)

З часом амплітуда вимушених коливань вантажу безмежно зростає. Таке

явище називається резонансом. В реальних конструкціях явище резонансу може служити причиною їхнього руйнування. Для дисипативної системи, коли ; ; та (випадок малого опору) диференціальне рівняння руху вантажу має вигляд. або

або ,

або ,

де .

При заданих початкових умовах вантаж здійснює коливання за законом

(11)

або

де ; ; ;

; ;

;

.

Коливання вантажу є двочастотними: вони відбуваються одночасно як з частотою вільних коливань дисипативної системи, так і з частотою . Наявність множника у першому доданку призводить до швидкого затухання коливального руху вантажу з частотою . Проте вимушені коливання з частотою збурюючої сили відбуваються постійно, незалежно від часу, амплітудою і зсувом фаз , величини яких визначаються конкретним значенням частоти . Якщо значення частоти збурюючої сили дорівнює , а параметри механічної систем задовольняють нерівності , де - відносне демпфування, то амплітуда вимушених коливань вантажу буде найбільшою:

.

При в системі наступає явище резонансу. Однак, на відміну від консервативної системи, амплітуда змушених коливань вантажу в дисипативній системі необмежено не зростає, а приймає кінцеве значення, яке дорівнює

.