Решение
Рассмотрим первый случай свободных гармонических колебаний без учета сил сопротивления.
Рассчитаем
суммарную жесткость системы пружин
C1.C2.C3.

Примем
груз за материальную точку, ось X направим
параллельно пружинам, связав ее с
положением статистического равновесия.
Начальные
условия при t=0
На
груз действует сила трения GT
и
сила упругости Fynp
.
Известно, что сила упругости пропорциональна
жесткости.
Запишем дифференциальное уравнение
второго порядка откуда

Здесь
введено обозначение
![]()
к - частота свободных колебаний
к
= 2.4
![]()
Решение этого уравнения можно искать в виде х = exp(z*t) После подстановки этого выражения в (1) получаем характеристическое уравнение для (1)
z2 + к2 = О
Это квадратное уравнение имеет два мнимых корня z, = ik ;z2 = -i k
Тогда решение (1) можно представить в виде
х = Ci cos (k t) + C2 sin (k t)
Константы
находятся из начапьных условий при t
=
О

После подставления начальных условий
![]()
Откуда получаем с, = х0
![]()
Период колебаний

Решение имеет вид


Скорость имеет вид

V (t) = - 4.128 sin ( 2.41) - 1.752 cos ( 2.4 t)

Амплитуда колебаний:

А=1.87(м)
Результаты
Уравнение для координаты и скорости
х (t) = (-1,72)cos ( 2.4 t) + 0.73 sin ( 2.4t)
V (t) = -4.128 sin (2.41) -1.752 cos ( 2.4t)
Собственная частота колебаний
![]()
Период колебаний
Т= 2.62 (с)
Амплитуда колебаний
А = 1.87 (м)
Этап III. Свободные затухающие колебания.
Рассмотрим второй случай - затухающие колебания с учетом сил сопротивления.
Уравнение Лагранжа второго рода применительно к этому случаю имеет вид

Уравнение движения груза имеет вид
![]()
где
- коэффициент сопротивления В результате
введения в уравнение сил сопротивления
возможны три случая: большого сопротивления
b
>
к, малого b
<
к и предельного к = b
сопротивления,
к = 2.4 b = 0.85
У нас случай малого сопротивления, поскольку b < к
Решение уравнения (3) можно искать в виде х = ехр (А • t)
После подстановки этого выражения в (3) получаем
характеристическое уравнение для уравнения (3)
![]()
Это
квадратное уравнение имеет 2 корня:

где
![]()
Тогда решение (3) можно представить в виде
![]()
Константы
находятся из начальных условий при t
=
0
После
подставления начальных условий

Решение имеет вид
![]()

Видно, что при стремлении t к бесконечности ж стремится к 0.


Амплитуда колебаний и фаза колебаний:

Период затухающих колебаний

Декремент затухания
![]()
Уравнения движения груза через экспоненты:

Декремент затухания
![]()
Период затухающих колебаний
![]()
Этап IV. Вынужденные колебания без учета сил сопротивления. Колебательная система изображена на рисунке 12

Исходные данные задачи:
V0: = 1.75 (м/с)
С, : =210 (Н/м)
С2: = 300 (Н/м)
С3 : = 400 (Н/м)

По заданным исходным данным и расчетной модели найти:
-
Амплитуду колебаний, собственную частоту, период, закон колебаний.
-
Построить графики x(t) и V(t).
-
Составить дифференциальное уравнение с учетом сил сопротивления, определить коэффициент сопротивления, коэффициент собственной частоты и сравнить их между собой.
Решение
Рассмотрим
вынужденные колебания без учета сил
сопротивления. Вынуждающая сила
![]()
Суммарная жесткость системы пружин рассчитывалась во втором этапе
С : = 257 (Н/м) Начальные условия при t = О

![]()

Решение уравнения (5) можно искать в виде суммы двух решений: решение однородного уравнения х, и решение неоднородного х2. Однородное уравнение для определения х,
![]()
Это уравнение совпадает с дифференциальным уравнение
собственных колебаний, поэтому
![]()
Определение
x2
зависит
от соотношения между
и к. В нашем случае,
отлична от к, что означает отсутствие
резонанса. Частное решение х2
будем искать в виде
![]()
Подставим частное решение (7) в уравнение (5), получим тождество, справедливое в любой момент времени. Посчитаем соответствующее произведение
![]()

Уравнение (5) после подстановки (7) имеет вид
![]()
Если перенести все слагаемые в левую часть и преобразовать, получим
![]()
Поскольку синус переменного аргумента равен нулю не для всех значений t, то полученное тождество выполняется, если постоянный коэффициент в скобках при синусе равен нулю:

Итак

Таким
образом:
![]()

В амплитудной форме

Константы находятся из начальных условий при t = 0


После подставления начальных условий

Откуда следует

Решение имеет вид


Амплитуда собственных колебаний и начальная фаза

Результаты
Уравнения для координаты и скорости

