30.12.2014 Views

10 Dynamika -Linearni Kmity

10 Dynamika -Linearni Kmity

10 Dynamika -Linearni Kmity

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!