Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
159<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
<strong>10</strong> Lineární kmitání<br />
<strong>10</strong>.1 –Úvod do kmitání bodů a těles<br />
Reálná tělesa se kterými se setkáváme v technické praxi nejsou dokonale tuhá, ale naopak<br />
více či méně pružná. Proto reálná tělesa popř. soustavy těles modelujeme jako mechanické<br />
soustavy tvořené tuhými hmotnými členy vzájemně spojenými nehmotnými pružinami. Při<br />
působení vnějších sil (buzení) pak mezi jednotlivými členy vznikají v pružinách direkční síly<br />
(namířené proti směru výchylek hmotných členů z rovnovážných poloh), velikost direkčních<br />
sil závisí na velikosti výchylek. Důsledkem působení direkčních sil je vznik kmitavých<br />
pohybů tj. oscilačních pohybů kolem rovnovážných poloh. Pokud nejsou dokonale tuhé vazby<br />
mezi tělesy, pak hovoříme o kmitání tuhých těles neboli hmotných soustav, pokud uvažujeme<br />
časově proměnné elastické deformace samotných těles pak hovoříme o kmitání pružných<br />
těles.<br />
Vzhledem k tomu, že kmitání doprovází chod každého stroje, popis kmitavých pohybů<br />
je důležitým problémem technické praxe a analýza kmitavých pohybů dala vznik samostatné<br />
součásti dynamiky-teorii kmitání.<br />
Většinou jsou kmity nežádoucí, protože s nimi souvisí hlučnost strojů, zvýšení jejich<br />
namáhání a rostoucí opotřebení. V některých případech však vibrace uměle vyvoláváme a<br />
následně využíváme (např. u vibračních pil, zhutňovačů, vibroseisy jako zdroje seismických<br />
vln při naftové prospekci, kmity bubínku a bazilární membrány vyvolávají pohyb nervových<br />
perceptorů a tím sluchový vnímání apod.).<br />
Obecně existují dva typy kmitání-volné a vynucené. Volné kmitání vzniká, jestliže na<br />
tělesa působí pouze elastické síly vracející kmitající těleso po vychýlení do původní<br />
rovnovážné polohy. Vynucené kmity vznikají působením časově závislých vnějších sil,<br />
kmitavé děje ve strojích jsou nejčastěji vyvolávány deterministickým periodickým buzením.<br />
Oba tyto typy kmitů přitom mohou být tlumené i netlumené (do soustav zahrnujeme i<br />
dissipátory energie).<br />
Kmitající soustavy: lineární- odezva je lineárně závislá na buzení, platí princip superpozice;<br />
nelineární – odezva je nelineární (důsledek buď nelineární závislosti velikosti direkční síly na<br />
výchylce, skokové změny ve směru působících třecích sil apod.). Nelineárního kmitání je<br />
možné dosáhnout např. pružinou ve tvaru šroubovice s proměnným průřezem.<br />
Konstanty tuhosti k pružných prvků závisí jak na materiálu, na geometrii průřezu<br />
(šroubové pružiny, tyče, hranoly apod.) a na charakteru pohybu (kmity podélné, torzní,<br />
ohybové (příčné) a krouživě kmitající.<br />
4<br />
πGd<br />
a) šroubová pružina (nejčastější) je k = , kde G je modul ve smyku, d průměr<br />
2<br />
8D L<br />
drátu, D průměr šroubovice, L délka šroubovice<br />
2<br />
Eπ<br />
d<br />
b) podélně kmitající tyč kruhového průřezu k = , kde E je Youngův modul<br />
4l<br />
pružnosti, S průřez tyče, l je délka tyče<br />
c) torzně kmitající tyč (silovým účinkem vracejícím těleso do rovnovážné polohy je<br />
4<br />
Gπ<br />
r<br />
krouticí moment) k =<br />
2l<br />
4<br />
3Eπ<br />
r<br />
e) ohybově kmitající vetknutá tyč k =<br />
3<br />
4l<br />
Po matematické stránce je lineární kmitání popsáno diferenciálními rovnicemi 2. řádu<br />
s konstantními koeficienty, přitom všechny koeficienty musí být kladné. Pohybové rovnice se<br />
zpravidla neřeší, ale po převedení na normovaný tvar se pro řešení použijí standardní vzorce.<br />
159
160<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
<strong>10</strong>. 2 Volné kmity netlumené<br />
Nejprve se omezíme na analýzu pohybu jednoho tělesa pohybujících se v jednom směru tj.<br />
na jeden stupeň volnosti. Nechť se hmotný bod pohybuje ve směru osy x působením síly<br />
od pružiny (obr. <strong>10</strong>.1)<br />
Obr. <strong>10</strong>. 1<br />
F x<br />
= − k.<br />
x , (<strong>10</strong>.1)<br />
kde x je výchylka hmotného bodu z rovnovážné polohy, k je konstanta (tuhost pružiny).<br />
Jestliže těleso uvolníme (obr. <strong>10</strong>.2), pak pohybovou rovnici pak můžeme napsat ve tvaru:<br />
..<br />
m x<br />
Rovnici (<strong>10</strong>.2.) můžeme také napsat ve tvaru:<br />
kde<br />
..<br />
+ k x = 0 . (<strong>10</strong>.2)<br />
x+ Ω = , (<strong>10</strong>.3)<br />
2<br />
0<br />
x 0<br />
k<br />
Ω<br />
0<br />
= (<strong>10</strong>.4)<br />
m<br />
je vlastní úhlová frekvence vyjádřená v rad/s. Řešení rovnice (<strong>10</strong>.2) můžeme hledat na bázi<br />
harmonických funkcí (sinus, kosinus, komplexní exponenciela). Např. při použití funkce sinus<br />
má řešení tvar<br />
( ) sin ( Ω ϕ )<br />
x t = C t + , (<strong>10</strong>.4)<br />
0 0<br />
kde C je amplituda (tj. maximální hodnota) výchylky a φ 0 je počáteční fáze určující<br />
výchylku v čase t = 0 . Hodnoty C, φ 0 zpravidla určujeme z počátečních podmínek.<br />
160
161<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
C sinφ 0<br />
C<br />
T 0<br />
Obr. <strong>10</strong>. 3<br />
Důležitá je perioda (doba kmitu) harmonického pohybuT 0<br />
, což je nejkratší doba, po<br />
které se děj opakuje<br />
2π<br />
m<br />
T0<br />
= = 2π<br />
. (<strong>10</strong>.5)<br />
Ω k<br />
0<br />
Kmitočet (frekvence) f<br />
0<br />
je převrácená hodnota periody<br />
Řešením rovnice (<strong>10</strong>.3) je však i funkce<br />
f<br />
1<br />
Ω<br />
0<br />
0<br />
= = [Hz]. (<strong>10</strong>.6)<br />
T0<br />
2π<br />
x = Asin<br />
Ω t + B cos Ω t . (<strong>10</strong>.7)<br />
0 0<br />
Ze vztahu pro sinus součtu dvou úhlů ihned vyplývá pro t=0 vztah<br />
Tj. platí<br />
A = C cos ϕ , B = C sinϕ<br />
. (<strong>10</strong>.8)<br />
0 0<br />
B<br />
= + ϕ = . (<strong>10</strong>.9)<br />
2 2<br />
C A B ,<br />
0<br />
arctg A<br />
Poznámka: Pro studium přenosových vlastností kmitajících soustav je vhodné řešení rovnice<br />
harmonického pohybu předpokládat ve tvaru<br />
i 0t<br />
kde C<br />
∗ = Ce ϕ je komplexní amplituda.<br />
i 0t<br />
{ C ∗ e Ω<br />
}<br />
x = Im<br />
(<strong>10</strong>.<strong>10</strong>)<br />
161
162<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
Uvažujme uspořádání podle obr <strong>10</strong>.3, při kterém nastává tzv. statický průhyb<br />
mg<br />
pružiny x st = .<br />
k<br />
x st<br />
Obr. <strong>10</strong>.3<br />
Pro počátek v koncovém bodě volné pružiny pohybové rovnice mají tvar<br />
− k x + m g = m ɺɺ x<br />
(<strong>10</strong>.11a)<br />
mg<br />
V rovnovážné poloze x R =x st je zrychlení ɺɺ x = 0 tj. platí xR = xst<br />
= . Posuneme-li<br />
k<br />
počátek do této rovnovážné polohy tj. provedeme transformaci y = x − xR<br />
pak dostáváme<br />
vztah<br />
tj. platí<br />
mg<br />
−ky − k + mg = − ky = my ɺɺ (<strong>10</strong>.11b)<br />
k<br />
ɺɺ y + Ω = , (<strong>10</strong>.11c)<br />
2<br />
0<br />
y 0<br />
což je stejná rovnice jako rovnice (<strong>10</strong>.2). Kmitání tedy nastává kolem rovnovážné polohy<br />
odpovídající posunutí od původní polohy (určené délkou nezatížené pružiny l 0 ) o statický<br />
průhyb. Z toho plyne: V případě působení konstantního silového účinku tedy nedochází ke<br />
změně vlastní frekvence, řešení je stejné jako bez působení konstantního silového působení,<br />
pouze je nutné provést posunutí počátku do rovnovážné polohy.<br />
V případě působení více pružin takový systém zpravidla nahrazujeme pružinou<br />
jedinou. V případě, že je n pružin řazeno sériově (jedna nad druhou, ale ze stejné strany od<br />
tělesa), pak můžeme celkovou tuhost vypočítat podle vztahu<br />
1 1 1 1<br />
= + + ...<br />
(<strong>10</strong>.12a)<br />
k k1 k2<br />
k n<br />
tento vztah dostaneme na základě uvolnění spojů mezi pružinami . Např. ve spoji pružin 1 a 2<br />
platí Fd<br />
= k1x1 = k2 x2<br />
. Stejně velká síla musí být ve spoji mezi první pružinou a rámem. Při<br />
zaměnění 2 pružin za jednu ekvivalentní musí být síla působící na těleso stejná tj. musí<br />
1 1 1<br />
platit Fd<br />
= k12 x12<br />
. Uvážením x12 = x1 + x2<br />
dostaneme vztah = + . Podobně v případě<br />
k12 k1 k2<br />
paralelního systému řazení pružin (pružiny vedle sebe nebo sestava pružina – těleso-pružina)<br />
platí<br />
162
163<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
k = k1 + k2 + ... k n<br />
(<strong>10</strong>.12b)<br />
Vztah vyplývá z uvolnění v místě spojení pružin s tělesem (výchylky všech pružin jsou<br />
stejné)<br />
Příklad <strong>10</strong>.1 Vypočtěte dobu kmitu závaží hmotnosti<br />
pružinám. Tuhosti pružin jsou<br />
4 −1<br />
k = 2,8 ⋅ N ⋅ m (obr.<strong>10</strong>.4).<br />
3<br />
<strong>10</strong><br />
4 −1<br />
k = 2⋅<br />
N ⋅m<br />
,<br />
1<br />
<strong>10</strong><br />
m = 58 kg , připojeného ke třem<br />
4 −1<br />
k = 2,5 ⋅ N ⋅ m ,<br />
2<br />
<strong>10</strong><br />
Obr. <strong>10</strong>. 4<br />
Řešení:<br />
Při kmitavém pohybu se pružina nad závažím<br />
prodlouží (resp. zkrátí) a o stejnou délku se zkrátí<br />
(resp. prodlouží) pod závažím. Všechny pružiny se<br />
tedy snaží vrátit těleso do původní rovnovážné<br />
polohy. Direkční síly se sčítají. Výsledná direkční<br />
síla při výchylce x :<br />
F = F + F + F<br />
1<br />
1<br />
F = k ⋅ x, kde k = k1<br />
+ k2<br />
+ k<br />
Doba kmitu:<br />
2<br />
F = k ⋅ x + k<br />
T<br />
T<br />
T<br />
0<br />
0<br />
0<br />
=<br />
0<br />
2<br />
3<br />
⋅ x + k ⋅ x<br />
2π<br />
m<br />
= = 2π<br />
ω k<br />
3<br />
2<br />
58⋅<br />
4 ⋅π<br />
( 2 + 2,5 + 2,8)<br />
= 0,177<strong>10</strong>5 s<br />
−1<br />
=<br />
⋅<strong>10</strong><br />
4<br />
3<br />
2<br />
m ⋅ 4 ⋅π<br />
k<br />
Poznámka: V případě že použité pružiny by neměly stejné klidové délky, pak délku<br />
ekvivalentní pružiny nahrazující první dvě pružiny dostaneme ze<br />
1<br />
vztahu k12 ( x − l012 ) = k1 ( x − l01 ) + k2 ( x − l02<br />
) tj. l012 = ( k1l01 + k2l02<br />
) . Pro ekvivalentní<br />
k<br />
délku pružiny nahrazující systém 3 pružin pak platí l0 = l012 + l03<br />
.<br />
Příklad <strong>10</strong>. 2. Hmotný bod G 0 o hmotnosti m na pružině o tuhosti k je umístěn na nakloněné<br />
rovině s úhlem sklonu α (obr. <strong>10</strong>.5). Klidová délka nestlačené pružiny je l0 = 11,5 cm ,<br />
klidová délka pružiny stlačené silou tíže je l 1 . Pružinu odlehčíme o hodnotu ∆ x = + 4,5 cm a<br />
12<br />
bod uvolníme s nulovou počáteční rychlostí.<br />
Tření zanedbejte.<br />
i) Zjistěte diferenciální<br />
rovnici pohybu závaží na nakloněné rovině.<br />
ii) Určete hodnotu vlastní<br />
frekvence, maximální<br />
amplitudy kmitů a<br />
Obr. <strong>10</strong>. 4<br />
163
164<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
iii)<br />
počáteční fázi a závislost výchylky na čase x=x(t).<br />
Určete periodu kmitu.<br />
Obr. <strong>10</strong>. 5<br />
Řešení: V rovnovážné poloze je direkční síla od pružiny rovna složce tíže do směru<br />
mg sinα<br />
nakloněné roviny tj. xst<br />
= l0 − l1<br />
= . Položíme počátek do rovnovážné polohy a<br />
k<br />
orientujeme osu x ve směru vzhůru nakloněné roviny. Jestliže hmotný bod posuneme<br />
z rovnovážné polohy o délku x směrem vzhůru, dojde ke zmenšení direkční síly o hodnotu kx.<br />
Pohybová rovnice tedy bude mít tvar:<br />
k( l0 − l1<br />
) − kx − mg sinα<br />
= mx<br />
ɺɺ<br />
Tj. platí:<br />
k<br />
ɺɺ+ x x = 0<br />
(a)<br />
m<br />
Řešení pohybové rovnice (a) předpokládáme ve tvaru:<br />
k<br />
x( t) = xm<br />
⋅ cos( Ω0t<br />
+ ϕ<br />
0 ) , kde Ω<br />
0<br />
= je vlastní frekvence, x m je maximální výchylka<br />
m<br />
kmitů a ϕ 0 je počáteční fáze.<br />
Počáteční podmínka: v čase t = 0 : x0 = ∆x a v0<br />
= 0.<br />
x0<br />
⎫<br />
x0 = xm<br />
⋅ cos ϕ0 , tedy cosϕ0<br />
= > 0 ⎪<br />
xm<br />
⎬ ϕ0<br />
= 0.<br />
v0 = −Ω0 ⋅ xm<br />
⋅ sin ϕ0 , tedy sinϕ0<br />
= 0 ⎪<br />
⎭<br />
Pro ϕ<br />
0<br />
= 0 je cosϕ 0<br />
= 1 a tedy xm<br />
= ∆x<br />
.<br />
k<br />
x( t) = xm<br />
cos ⋅t,<br />
m<br />
k 50<br />
Ω<br />
0<br />
= = = ⋅<br />
−3<br />
m <strong>10</strong>0⋅<strong>10</strong><br />
x = ⋅ ⋅<br />
ad iii) perioda kmitu:<br />
2 π<br />
T = ,<br />
Ω<br />
−2<br />
4,5 <strong>10</strong> cos 22 t.<br />
0<br />
2π<br />
T = = 0, 29 s.<br />
22<br />
<strong>10</strong>. 3 Volné kmity tlumené<br />
−1<br />
22 rad s ,<br />
Vlastní kmity tlumené nastávají v případě, že kromě direkční síly F=-kx působí síly odporu<br />
prostředí F<br />
o<br />
. Přitom se hlavně jedná o Stokesovo tlumení tj. síly viskózní v kapalinách.<br />
Coulombovo tření (které je úměrné kolmému tlaku a které je doprovázeno rychlým<br />
opotřebením pohybujících se součástí) bývá u kmitajících soustav eliminováno mazáním,<br />
164
165<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
proto jej d8le diskutovat nebudeme. Viskózní tlumení (odporová síla) je úměrné rychlosti<br />
F = b xɺ , kde b je součinitel lineárního tlumení. Pohybová rovnice má tvar<br />
o<br />
Tuto rovnici převedeme na normovaný tvar<br />
mx ɺɺ + bxɺ + kx = 0<br />
(<strong>10</strong>.13)<br />
k<br />
ɺɺ x + 2δ<br />
xɺ + x = 0 . (<strong>10</strong>.14)<br />
m<br />
kde<br />
b<br />
δ = je součinitel doznívání.<br />
2m<br />
Obecné řešení (<strong>10</strong>.14) je dáno ve tvaru<br />
x = C e + C e<br />
λ 1 t λ2<br />
t<br />
= + (<strong>10</strong>.15a)<br />
1 1<br />
kde C 1 a C 2 jsou integrační konstanty, které se stanoví z počátečních podmínek a λ 1 , λ 1 jsou<br />
kořeny charakteristické rovnice. Tato má tvar<br />
Odtud je řešení dáno vztahy<br />
2<br />
mλ<br />
bλ<br />
k<br />
+ + = 0<br />
(<strong>10</strong>.15b)<br />
λ<br />
1,<br />
2<br />
2<br />
− b ±<br />
b −<br />
4km<br />
= (<strong>10</strong>.15c)<br />
2m<br />
Čísla λ i se nazývají vlastní čísla soustavy, podle znaménka pod odmocninou je určen<br />
jejich charakter. V případě čistě reálných hodnot λ i (výraz pod odmocninou je kladný)<br />
výsledný pohyb nebude kmitavý, ale bude probíhat po exponenciále. Pro praxi je proto<br />
mnohem zajímavější případ, když znaménko pod odmocninou bude záporné. V takovém<br />
případě jsou kořeny charakteristické rovnice komplexně sdružené. Řešení rovnice (<strong>10</strong>.14) pak<br />
má tvar<br />
−δ<br />
t<br />
x C e sin<br />
tlt<br />
( Ω ϕ )<br />
= + , (<strong>10</strong>.15e)<br />
2 2 2<br />
δ<br />
kde Ωtl<br />
= Ω0 − δ = Ω0 1− bp<br />
je frekvence tlumených kmitů, b p<br />
= je poměrný útlum.<br />
Ω0<br />
Při podkritickém tlumení (b p
166<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
Při kritickém tlumení (b p =1) je frekvence vlastních kmitů rovna nule tj. výsledný děj není<br />
harmonický, amplituda s časem postupně klesá. Podobně při nadkritickém tlumení ( b<br />
p<br />
> 1) je<br />
řešením charakteristické rovnice (<strong>10</strong>.15b) číslo reálné tj. pohyb je aperiodický, příklad<br />
závislosti výchylky na čase je na obr. <strong>10</strong>.6b a <strong>10</strong>.6c.<br />
C<br />
=<br />
− t<br />
e δ<br />
T tl<br />
Obr. <strong>10</strong>.6a Obr. <strong>10</strong>.6b Obr. <strong>10</strong>.6c<br />
Poznámka: V případě Stokesova tlumení je řešení opět harmonické, ale amplituda kmitů klesá<br />
s časem lineárně.<br />
<strong>10</strong>.3 Vynucené kmity<br />
<strong>10</strong>.3.1 Vynucené kmity buzené harmonickou silou<br />
Pohybová rovnice vynucených kmitů tělesa hmotnosti m, na které působí harmonicky<br />
proměnná síla F( t ) = F0<br />
sinωt<br />
je dána vztahem<br />
2 F( t ) F0<br />
ɺɺ x + 2 δ xɺ + Ω 0<br />
x = = sin t<br />
m m<br />
ω<br />
(<strong>10</strong>.17)<br />
Pohybová rovnice je tedy nehomogenní diferenciální rovnicí 2.řádu. Řešení x = xh + xp<br />
, kde<br />
partikulární řešení podle tvaru pravé strany hledáme na bázi harmonických funkcí.. Při<br />
podkritickém tlumení (b p
167<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
fáze rychle mění (při nulovém tlumení skokem) o π. Bez tlumení by v rezonanci amplituda<br />
kmitů s časem neustále lineárně narůstala tj. byla by dána vztahem<br />
F<br />
= (<strong>10</strong>.20a)<br />
0<br />
sr<br />
t sin Ω0t<br />
2Ω0m<br />
Závislost amplitudy resp. fáze vynucených kmitů na frekvenci při stálé hodnotě<br />
amplitudy harmonické budící síly se nazývá amplitudová resp. fázová charakteristika<br />
soustavy, příklady závislosti takových křivek pro různé hodnoty tlumení δ jsou na obr. <strong>10</strong>.7.<br />
Pro nulovou budící frekvenci je amplituda odezvy dána vztahem<br />
s<br />
F<br />
k<br />
0<br />
st<br />
= (<strong>10</strong>.20b)<br />
což je v podstatě případ statiky resp. pevnosti a pružnost, podstatné je ale to, že amplituda<br />
není nulová. Při vykreslování amplitudových křivek provádíme na hodnotu s st normování.<br />
Maximální hodnoty je dosaženo pro netlumené kmitání a pro stav, kdy je budicí<br />
frekvence rovna vlastní netlumené frekvenci. Tento stav se nazývá rezonanční a v provozních<br />
podmínkách je zpravidla snaha se mu vyhnout. V případě málo tlumených soustav je<br />
podrezonanční i v rezonanční oblasti amplituda kmitů větší než jsou statické amplitudy,<br />
tomuto jevu říkáme dynamické zesílení. pro nekonečně velké budicí frekvence se amplituda<br />
kmitání blíží k nule.<br />
ω<br />
ω<br />
Ω0<br />
Ω0<br />
Obr. <strong>10</strong>.7<br />
Možnosti jak potlačit (snížit) dynamickou odezvu soustavy při harmonickém buzení jsou v<br />
podstatě zřejmé z charakteru rovnic pro odezvu a lze to provést třemi způsoby<br />
1. Snížit amplitudu budících sil. V praxi to znamená např. stroj co možná nejlépe<br />
vyvážit, maximálně omezit aerodynamické buzení atd.<br />
2. Pokud je snížena amplituda budících sil na minimum, druhá možnost je provést změnu<br />
vlastní frekvence. Zvýšení hmotnosti má za následek snížení vlastní frekvence a zvýšení<br />
167
168<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
tuhosti má za následek zvýšení vlastní frekvence. Cílem je stroj tzv. přeladit tak, aby se<br />
v pásmu provozního buzení nenacházela vlastní frekvence.<br />
3. Třetí možný případ je takový, kdy jsou amplitudy budících sil sníženy na minimální<br />
hodnotu a konstrukčními změnami není možné soustavu přeladit. V tomto případě se do<br />
soustavy přidá tlumič, aby se snížila amplituda vibrací. Tlumič je vhodné umístit do<br />
míst s maximální rychlostí vibrací, aby bylo tlumení co nejvíce účinné.<br />
<strong>10</strong>.3.2 Vynucené kmity buzené rotující hmotou<br />
V případě nevyváženého rotoru hmotnosti m na kterém je nevývažek hmotnosti m 1 rotující<br />
frekvencí ω je budící silou síla odstředivá (buzení nevývažkem) je pohybová rovnice je dána<br />
vztahem<br />
2 F( t )<br />
2<br />
m1eω<br />
sinωt<br />
0<br />
ɺɺ x + 2δ<br />
xɺ + Ω = =<br />
. (<strong>10</strong>.21)<br />
m m<br />
Z pohledu aplikace rotorových soustav střed hřídele kmitá v rovině kolmé na spojnici ložisek.<br />
Amplituda budící síly je tedy frekvenčně závislá. Amplituda ustálených vynucených kmitů<br />
středu rotoru (obr. <strong>10</strong>.8b) je dána vztahem<br />
s<br />
0<br />
2<br />
m1<br />
eω<br />
=<br />
m ( Ω ω ) ( δω )<br />
2 2 2 2<br />
0<br />
− + 2<br />
(<strong>10</strong>.22)<br />
Obr. <strong>10</strong>.8a<br />
Jak je z amplitudové křivky zřejmé, v nadrezonanční oblasti je kapalinový tlumič neúčinný.<br />
<strong>10</strong>.3.3 Vynucené kmity buzené pohybujícím se základem<br />
Obr. <strong>10</strong>.8b<br />
Jestliže působící síla nepůsobí na těleso<br />
přímo ale přes pružinu popř. i přes tlumič,<br />
pak hovoříme o tzv. kinematickém buzení<br />
od základu. Konkrétním případem může být<br />
buzení při seismické události, tedy při<br />
zemětřesení (proto někdy tomuto buzení<br />
říkáme seismickém buzení). Stejný efekt<br />
však nastává, jestliže se odpružené těleso<br />
pohybuje po „roletě“ povrchu rychlostí v –<br />
168
169<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
2π<br />
2π<br />
v<br />
karoserie je podrobena buzení přes pružinu s frekvencí ω = = , kde l je vzdálenost<br />
T l<br />
mezi hrboly (viz obrázek). Řešení lze provést dvěma způsoby. V prvním případě je<br />
výsledkem pohyb tělesa absolutně vzhledem k rámu, který se nepohybuje (absolutní<br />
souřadnice), ve druhém případě je výsledkem relativní pohyb tělesa vzhledem k pohybujícímu<br />
se základu (relativní souřadnice). Jestliže sledujeme pohyb tělesa vzhledem k nehybnému<br />
rámu a amplituda pohybu základu je h, pak pohybová rovnice je dána vztahem<br />
−b( xɺ − x ɺ ) − k( x − x ) = mx ɺɺ . (<strong>10</strong>.23)<br />
Tuto rovnici lze pro harmonický pohyb základu x z<br />
= h sinωt<br />
upravit na tvar<br />
2<br />
0<br />
z<br />
z<br />
ɺɺ x + 2δ xɺ + Ω x = bhω cosωt + kh sinωt<br />
. (<strong>10</strong>.24)<br />
Ustálený pohyb je opět popsán řešením partikulárním x<br />
p<br />
= s0<br />
sin( ωt + ϕ )<br />
Amplituda odezvy hmoty m na kinematické buzení<br />
s ( ω ) =<br />
Fázový posun proti pohybu základu je<br />
0<br />
h<br />
Ω +<br />
2<br />
0<br />
( 2δω<br />
)<br />
2 2<br />
( Ω0<br />
− ω ) + ( 2δω)<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2 2<br />
⎛ ω ⎞<br />
2bp<br />
⎜ ⎟<br />
Ω0<br />
ϕ = −arctg<br />
⎝ ⎠<br />
2<br />
ω<br />
1−<br />
1 4<br />
Ω<br />
3<br />
2<br />
( − bp<br />
)<br />
(<strong>10</strong>.25)<br />
(<strong>10</strong>.26)<br />
h<br />
ω<br />
Pro netlumený pohyb je s = , kde η = . Amplitudová charakteristika je na obr.<br />
2<br />
1 − η<br />
Ω0<br />
<strong>10</strong>.9. Po překonání rezonanční frekvence Ω tedy amplituda odezvy s frekvencí ω již klesá.<br />
Přitom čím je větší tlumení, tím je toto klesání pomalejší. Proto např. při pružném uložení<br />
náprav (tj. bez tlumičů) je po překonání kritické rychlosti možná jízda po roletě i velkou<br />
rychlostí<br />
V nadrezonanční oblasti při vyšších hodnotách<br />
kapalinového tlumiče b p tedy dochází k vyšším<br />
hodnotám výchylek než u nízkých hodnot tlumení<br />
b p .<br />
Obr. <strong>10</strong>.9<br />
169
170<br />
<strong>10</strong>-Lineární kmitání<br />
<strong>10</strong>.3.4 Odezva mechanické soustavy na impulsní buzení<br />
Často se setkáváme s případem, že k rozkmitání mechanické soustavy dojde náhlým<br />
přiložením síly, která působí po zanedbatelně krátkou dobu tj. po matematické stránce má<br />
charakter δ-funkce. Jde o rázové buzení, kterému říkáme impulsní buzení. Při podkritickém<br />
tlumení je odezvou na rázové působení zatlumená sinusoida ve tvaru určeném vztahem<br />
(<strong>10</strong>.15e). Vzhledem k tomu, že spektrum δ-funkce obsahuje všechny frekvence, pak<br />
z principu superposice vyplývá, že Fourierovou transformací odezvy na rázové buzení<br />
můžeme zjišťovat hodnoty odezev soustavy na jednotlivá harmonická buzení tj. můžeme<br />
zjišťovat průběhy amplitudových křivek zmiňovaných v odstavci (<strong>10</strong>.3.1) na základě<br />
zpracování jednoho měření. Pomocí odezvy na jednotkový impuls lze určit odezvu i na<br />
obecný průběh budící síly F(t) pomocí konvoluce<br />
( )<br />
τ<br />
∫ τ<br />
−δ<br />
( −τ<br />
)<br />
Ω0<br />
τ τ<br />
(<strong>10</strong>.27)<br />
1 t<br />
y t = F( )e sin ( t − )d<br />
mΩ<br />
<strong>10</strong>.3.5 Zjišťování frekvenčních charakteristik mechanických soustav<br />
0 0<br />
Frekvenční charakteristiky mechanických soustav zjišťujeme buď z odezvy při buzení<br />
harmonickou silou s proměnnou frekvencí (amplituda budící síly je přitom pro všechny<br />
frekvence stejná) nebo z analýzy odezvy na impulsní buzení. Ke zjištění odezvy přitom<br />
používáme buď aktivní snímače (pracují jako generátory určité elektrické veličiny-náboje,<br />
napětí, proudu) nebo pasivní (potřebují externí napájení, přičemž se hodnota dodávané<br />
elektrické veličiny mění). Přitom snímače mohou měřit absolutně (tj. snímač je spojen přímo<br />
se zkoumaným tělesem) nebo relativně (1 konec je spojen se zkoumaným tělesem a druhý<br />
konec s jiným dalším tělesem). Z hlediska vyhodnocovaných veličin rozeznáváme snímače<br />
kapacitní (sledovaná elektrická veličina je kapacita, mechanická je poloha), odporové<br />
(sledovaná elektrická veličina je odpor, mechanická je přetvoření), laserové (sledovaná<br />
elektrická veličina je napětí, mechanická je okamžitá poloha), indukční (sledovaná elektrická<br />
veličina je napětí, mechanická je rychlost), induktanční (sledovaná elektrická veličina je<br />
napětí, mechanická je poloha) a piezoelektrické (sledovaná elektrická veličina je náboj,<br />
mechanická je zrychlení)<br />
170