![]() Broj 2 |
![]() |
|||||
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Matko Botinčan, Dubravko Lapaine,
Rudolf Markulin, Ana Žgaljić |
|||||
Vibracije mehaničkih sustava |
![]() |
|||||
![]() |
||||||
Teorija | Primjeri | Download | Linkovi | Dno stranice | Verzija za printanje TeorijaKRATKA (STVARNO KRATKA) POVIJEST PROUČAVANJA VIBRACIJALjudi su se počeli zanimati za vibracije već od pojave prvih muzičkih instrumenata, vjerojatno bubnjeva i zviždaljki. Iako su već tada opažena stroga pravila, to još ne možemo zvati znanošću. Grčki filozof i matematičar Pitagora (582-507 pr.K.) smatra se prvim koji je na znanstvenoj osnovi promatrao zvukove i glazbu. Poznata su njegova promatranja ovisnosti duljine i napetosti žice i visine tona koji se proizvodi. Od njegovih istraživanja ništa nije ostalo zapisano. Galileo Galilei (1564-1642) smatra se osnivačem moderne eksperimentalne znanosti. Proučavao je jednostavna njihala jedne crkve u Pisi. Jednog dana, jer mu je propovijed bila dosadna, Galileo se zagledao u strop. Njišuća svjetiljka zaokupila je njegovu pažnju i mjerenjima njenih kretanja ustanovio je, na svoje zaprepaštenje, da je period njihanja neovisan o amplitudi kojom se njihalo njiše. Galileo je ostavio dva pisana djela i od tad su se stvari počele znatno brže razvijati. Od poznatih matematičara i fizičara koji su se bavili problemom vibracija tu su još i: Sir Isaac Newton (1642-1727), Brook Taylor (1685-1731), Daniel Bernoulli (1700-1782), Jean D'Alembert (1717-1783), Leonard Euler (1707-1783), Simeon Poisson (1781-1840), G. R. Kirchoff (1842-1887)...pa sve do suvremenih.
VAŽNOST PROUČAVANJA VIBRACIJAVećina ljudskih aktivnosti uključuje vibracije u jednom od njezinih pojavnih oblika. Primjerice: čujemo jer se vibracije prenose preko naših bubnjića, disanje je povezano s vibracijom naših pluća, hodanje uključuje (periodičke) oscilacije naših ruku i nogu, a govorimo zahvaljujući vibriranju naših glasnica. Većina vozila ima vibracijskih problema zbog neuravnoteženosti motora. Na primjer, neuravnoteženost diesel motora može proizvesti potresne valove dovoljno jake da budu smetnja u urbanim zonama. Kotači lokomotiva se pri velikim brzinama zbog neuravnoteženosti mogu odvojiti više od centimetra od tračnica. U turbinama vibracije uzrokuju spektakularne mehaničke kvarove. Općenito, vibracije rezultiraju bržim trošenjem i kvarovima dijelova motora kao što su nosači i kotači, a također stvaraju i jaku buku. Kad god se prirodna frekvencija vibracije motora ili strukture podudara s frekvencijom vanjskog poticaja, nastaje fenomen koji se zove rezonancija. Ona dovodi do iznimnih odstupanja i kvarova. Literatura je puna primjera razornog djelovanja rezonancija (vidi filmić razrušenog mosta tacoma.mpeg). Zbog devastirajućeg efekta kojeg vibracije imaju na strojeve i strukture, testiranje na vibracije postalo je standardan postupak u dizajnu i razvoju većine inženjerskih sustava. Usprkos svojim štetnim efektima, vibracije se mogu uspješno iskoristiti u nekoliko potrošačkih i industrijskih primjena. Štoviše, primjena vibracijske opreme proteklih se godina znatno povećala. Na primjer, vibracije su iskorištene u vibracijskim tekućim vrpcama, sijačima, sitima, perilicama rublja, električnim četkicama za zube, zubarskim bušilicama, satovima i električnim masažnim uređajima. Vibracije se koriste za simulacije potresa radi geoloških istraživanja i pri istraživanjima dizajna nuklearnih reaktora.
OSNOVNI KONCEPTI VIBRACIJASvako gibanje koje se ponavlja u nekom vremenskom intervalu zove se vibracija ili oscilacija. Gibanje njihala je tipičan primjer vibracija. Vibracije u sustavu uključuju prijenos potencijalne energije u kinetičku i obrnuto. Ako je sustav prigušen, energija se gubi u svakom ciklusu.
Stupnjevi slobode: minimalni broj nezavisnih
koordinata potrebnih da se u potpunosti odredi pozicija svih
dijelova sustava u svakom trenutku vremena definira stupnjeve
slobode. Jednostavno njihalo (kao na slici) predstavlja sustav s
jednim sustavom slobode. Na primjer, gibanje njihala može se
predstaviti u terminima kuta
MATEMATIČKA NADOPUNA (derivacija)
U ovom ćemo poglavlju probati "na prste" objasniti derivacije.
Nećemo zalaziti u stroge matematičke definicije, nego
ćemo im pristupiti tako da steknemo što bolji osjećaj o tome
što su i kako nam derivacije koriste za rješavanje naših
problema. Neka je dana funkcija ![]()
To zapravo znači da je derivacija funkcije
Sada kada znamo što je to derivacija funkcije
Derivacija funkcije je funkcija definirana na istoj domeni (
Analogno se definira
Pokušajmo vidjeti što je to derivacija u fizikalnom smislu. Zamislimo da
imamo neko vozilo koje u vremenu
gdje je
(Kako znamo da ona izgleda baš tako? Jednoliko gibanje je ono
gibanje kod kojega je u jednakim vremenskim razmacima prijeđen
jednak put, tj. funkcija
Za jednoliko gibanje derivacija bi bila
![]()
ali mi znamo da je kod jednolikog gibanja brzina konstantna i da
je ona u nekom trenutku
Diferencijalnom jednadžbom zvat ćemo onu jednadžbu u
kojoj se pojavljuje derivacija neke funkcije, odnosno nešto
ovakvog oblika:
To bi bila diferencijalna jednadžba prvog reda zato jer se
funkcija
Rješenjem takve diferencijalne jednadžbe, nazovimo ga
Sada kad "znamo" što je derivacija, pokušajmo
predočiti što je integral. Integral, označavamo ga s
MATEMATIČKO NJIHALO
Zamislimo matematičko njihalo kao kuglicu mase ![]()
gdje je ![]()
OPRUGA
Opruga je tijelo napravljeno od žice savijene u helikoidu
(krivulja koja opisuje izgled opruge). Zamišljamo da je broj
navoja velik i da je ona izdužena, tj. da je poprečni
presjek malen u odnosu na duljinu. Sila opruge ima smjer prema
nutrini opruge i iznosa je
![]()
Konstanta opruge U slučaju serijskog spoja imamo:
Zamijenimo ih jednom oprugom koja se produlji za ![]()
tj.
![]() Serijski spojene opruge ponašaju se kao paralelno spojeni otpornici.
Za slučaj paralelnog spoja opruga, na sličan način
dobijemo da je ![]()
ELASTIČNI ŠTAP
Pretpostavimo da imamo homogeni elastični štap (npr. velika
gumica za brisanje). Neka štap u blizini hvatišta uvijek
ostaje okomit na ravninu hvatišta. Na kraj štapa stavimo masu
![]()
gdje je ![]()
Nadalje, uzimamo da je
![]()
( ![]() tj. ovime smo opet dobili jednadžbu za silu opruge, s time da je koeficijent opruge zamijenjen izrazom koji ovisi o svojstvima štapa.
Na sličan način, kad bismo promatrali longitudinalni pomak
štapa dobili bismo izraz
![]()
gdje je
SLOBODNE VIBRACIJE
Zamislimo masu ![]()
Znamo da je akceleracija derivacija brzine pa je ona dana kao
![]()
Stoga se jednadžba svodi na
![]() Do iste jednadžbe dolazimo i primjenom zakona očuvanja energije.
Jednadžbu ![]()
Opće rješenje ove jednadžbe dano je u obliku
Period ovog gibanja je
![]()
Primjedba. Ako za ![]() Npr. graf jednog takvog rješenja izgleda ovako: ![]()
SLOBODNE VIBRACIJE S VISKOZNIM PRIGUŠENJEM
Jednadžba ovakvog sustava dana je kao
![]()
Da bi riješili ovu jednadžbu rješavamo pripadnu
karakterističnu jednadžbu
![]()
Opće rješenje jednadžbe (4) tada je dano kao
Razlikujemo tri vrste rješenja:
PRISILNE VIBRACIJE
Prisilne vibracije zbivaju se kada npr. na masu
Uzimamo da je
Partikularno rješenje tražimo u obliku
![]()
Tu nastupa problem za
Dakle, opće rješenje problema (6) dano je kao
![]() Tu imamo superpoziciju dviju harmonijskih vibracija.
Za slučaj
![]() Ovo rješenje u vremenu eksplodira, tj. amplituda sve više raste. Graf jednog ovakvog rješenja: ![]()
SUSTAVI S VIŠE STUPNJEVA SLOBODE
Sustavi s više stupnjeva slobode su oni sustavi koji zahtjevaju
dvije, tri ili više koordinata da bi ih se u potpunosti moglo opisati.
Jedan od najjednostavnijih primjera sustava s dva stupnja slobode može se vidjeti
na jednoj od idućih animacija. Prikazane su dvije mase
pričvršćene oprugama za zid, čije ponašanje
opisuju dvije linearne koordinate
Kao dobar primjer sustava s tri stupnja slobode mogli bismo
uzeti sustav koji se sastoji od tri kuglice
povezane nitima i predstavlja tek nešto kompliciraniju verziju
matematičkog njihala (taj primjer također se može vidjeti na jednoj
od idućih animacija). U tom slučaju položaje kuglica očito možemo
odrediti koordinatama
Koordinate koje koristimo za opisivanje sustava zovemo
generalizirane koordinate i najčešće ih označavamo s Često se, da bi se jasnije mogle uočiti pojedine bitne karakteristike oscilacija sustava s više stupnjeva slobode, cjelokupno ponašanje sustava razlaže na njegove osnovne komponente. Te osnovne komponente predstavljaju one najbitnije elemente gibanja sustava i nazivaju se osnovni modovi ponašanja (gibanja). Ponašanje čitavog sustava tada se može prikazati kao superpozicija (linearna kombinacija) njegovih osnovnih modova. Kako je postupak nalaženja osnovnih modova ponešto kompliciraniji, ovdje se nećemo upuštati u njegovo matematičko opisivanje, ali na slijedećim animacijama vizualno će se moći uočiti o čemu je tu otprilike riječ. Primjeri
Download
Linkovi
Vrh stranice | Teorija | Primjeri | Download | Linkovi | Verzija za printanje |