理论力学 第十章振动

（2）振幅与初位相 ） 谐振振动表达式
x = A sin(ω nt + θ )
A表示相对于振动中心点O的最大位移，称为振幅。 （ωnt+θ）称为相位（或相位角），相位决定了质点在某瞬时t的 位置，它具有角度的量纲，而θ称为初相位，它决定了质点运 动的起始位置。 自由振动中的振幅A和初相位θ是两个待定常数，它们由运 动的初始条件确定。 设在起始t=0时，物块的坐标x=x0，速度v=v0。为求A和θ，
k ω = m
2 n
k ωn = m
自由振动的圆频率ω 只与表征系统本身特性的质量m和刚度 有关， 和刚度k有关 自由振动的圆频率 n只与表征系统本身特性的质量 和刚度 有关，而与 运动的初始条件无关； 运动的初始条件无关； 它是振动系统的固有的特性，所以称ω 固有圆频率。 它是振动系统的固有的特性，所以称 n为固有圆频率。 固有频率是振动理论中的重要概念 它反映了振动系统的动力学特性， 是振动理论中的重要概念， 固有频率是振动理论中的重要概念，它反映了振动系统的动力学特性， 计算系统的固有频率是研究系统振动问题的重要课题之一。 计算系统的固有频率是研究系统振动问题的重要课题之一。 由
（2）弹簧串联 ） 两个刚性系数分别为k1、k2弹簧串联系统。每个弹簧受的力都等于物块的重 量，因此两个弹簧的静伸长分别为： mg mg δ st 2 = 平衡时有： δ st1 = k2 k1 k1 1 1 δ st = δ st1 + δ st 2 = mg + 两个弹簧总的静伸长 设串联弹簧系统的等效弹簧刚度为keq，则
x = A sin(ω nt + θ )
x = A sin(ω nt + θ )
两端对时间t求一阶导数，得物块速度 dx v= = Aω n cos(ω n t + θ ) dt 将初始条件代入以上两式，得到
x0 = A sin θ v0 = Aω n cosθ
得到振幅A和初相位θ的表达式为：
A=
在初瞬时t=0，物块位于未变形的梁上， 其坐标x0=-δst=-2mm，重物初速υ0=0， 则振幅为
A=
δ st
O
r mg
x
x
2 n
+
ω
v
2 0 2 n
= 2 mm
初相位
θ = arctan
ω n x0
v0
= arctan(−∞) = −
π
2
最后得系统的自由振动规律为：
x = −2 cos 70t mm 选题
k2
k1
δ st
r F1
k eq = k1 + k 2
δ st r
r mg
keq k1 + k 2 = m m
m
r F2
mg = k eqδ st
keq称为等效弹簧刚性系数 并联系统的固有频率为
mg k2
ωn =
当两个弹簧并联时，其等效弹簧刚度等于两个弹簧刚度的和。 这一结论也可以推广到多个弹簧并联的情形。
r F
δ st
x
O
r mg
x
d 2x m 2 = mg − k (δ st + x) = −kx dt
k ω = m
2 n
则上式可改写为
d 2x 2 + ωn x = 0 2 dt
上述振动微分方程的解为 其中圆频率
x = A sin(ω nt + θ )
r F
x
k g 9800 ωn = = = = 70rad / s m δ st 2
3. 弹簧的并联与串联
（1）弹簧并联 ） 两个刚度分别为k1、k2的弹簧并联。设物块在重力mg作用下平动，其静变形 为δst，两个弹簧分别受力F1和 F2， 平衡时有： F1 = k1δ st
F2 = k 2δ st
mg = ( F1 + F2 ) = (k1 + k 2 )δ st
令
r F1
k1 r F2
表明斜面角β与物块运动微分方程无关。 固有频率
ωn =
k 0.8×1000 = = 40rad / s m 0.5
x
r r FN β mg
此系统的通解为 x = A sin(ω nt + θ ) 固有频率与斜面倾角β无关。
5）当物块碰上弹簧时，取时间t=0，作为振动的起点，此时 物块的坐标即为初位移：
k1
k
2

k2
δ st = mg / k eq
比较上面两式得：
m
1 1 1 = + k eq k1 k 2
ωn =
k eq =
k1k 2 k1 + k 2
r mg
串联弹簧系统的固有圆频率为
keq m
=
k1k 2 m(k1 + k 2 )
当两个弹簧串联时，其等效弹簧刚度的倒数等于两个弹簧刚 度倒数的和。这一结论也可以推广到多个弹簧串联的情形。
4.其它类型的单自由度振动系统 其它类型的单自由度振动系统 除弹簧与质量组成的振动系统外，工程中还有很多振动系统，如扭振系统、 多体系统等。 图为一扭振系统，其中圆盘对于中心轴的转动惯 量为JO，刚性固结在扭杆的一端。 扭杆另一端固定，圆盘相对于固定端可扭转一个 角度φ，扭杆的扭转刚性系数为kt，它表示使圆盘 产生单位扭角所需的力矩。 根据刚体转动微分方程可建立圆盘转动的运动微 分方程为： d 2ϕ Jo 2 = − ktϕ dt
O
δ st
x
r F r P
则解为：
x = A sin(ω nt + θ )
表明：无阻尼自由振动是简谐振动。 其运动图线为：
x
A
x
x0
θ ωn
O
t
t+T
x
2.无阻尼自由振动的特点 无阻尼自由振动的特点
（1）固有频率 ）
无阻尼自由振动是简谐振动，是一种周期振动，任何瞬时t， 无阻尼自由振动是简谐振动，是一种周期振动，任何瞬时 ，其 运动规律x（t）总可以写为: 运动规律 （ ）总可以写为: x（t）= x（t+T） （） （ ） T为常数，称为周期，单位符号为s。 为常数， 周期， 符号为 为常数 称为周期 单位符号 。 这种振动经过时间T后又重复原来的运动 后又重复原来的运动。 这种振动经过时间 后又重复原来的运动。 考虑无阻尼自由振动微分方程 考虑无阻尼自由振动微分方程
2 0
x
+
2 ωn
2 v0
tan θ =
ω n x0
v0
自由振动的振幅和初相位都与初始条件有关。
例1 质量为m=0.5kg的物块，沿光滑斜面无初速度滑下，如图所 示。当物块下落高度h=0.1m时撞于无质量的弹簧上并与弹簧不 再分离。弹簧刚度k=0.8 kN/m，倾角ß=30°，求此系统振动的 固有频率和振幅，并给出物块的运动方程。 解：1)取质量弹簧系统 δ0 A 物块于弹簧的自然位置A处碰上 x 弹簧。若物块平衡时，由于斜面 O r 的影响，弹簧应有变形量: F r mg sin β r mg FN δ0 = β
r F r P
x
两个根为： r1 = +iω n 方程解表示为：
r2 = −iω n
x = C1 cos ω nt + C2 sin ω nt
x = C1 cos ω nt + C2 sin ω nt
C1 和C2 是积分常数，由运动 的起始条件确定。 设： A = C + C
2 1 2 2
l0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1 tan θ = C2
d 2x 2 + ωn x = 0 dt 2
解为： 解为：
x = A sin(ω nt + θ )
[ω n (t + T ) + θ ] − (ω nt + θ ) = 2π
T= 2π
角度周期为2π，则有: 角度周期为 ，则有:
则自由振动的周期为： 则自由振动的周期为：
ωn
T=
2π
ωn
可得： 其中
d 2x m 2 = −kx dt
l0
两端除以质量m，并设
2
k ω = m
2 n
移项后得:
d x 2 + ωn x = 0 dt 2
δ st
O
x
无阻尼自由振动微分方程的标准形式 是一个二阶齐次线性常系数微分方程。 设： x = e rt
2 代入微分方程，消去ert 得特征方程： r 2 + ω n = 0
§10-1 单自由度系统的自由振动
1. 自由振动微分方程 工程中许多振动可简化为一个质量和一个弹簧的弹簧质量系统 系统在 弹簧质量系统， 工程中许多振动可简化为一个质量和一个弹簧的弹簧质量系统，系统在 重力作用下沿铅垂方向振动的，具有一个自由度，简化为图示模型。 重力作用下沿铅垂方向振动的，具有一个自由度，简化为图示模型。 下面来分析其运动规律，先列出其运动微分方程。 下面来分析其运动规律，先列出其运动微分方程。 设弹簧原长为l 刚性系数为k。 设弹簧原长为 0，刚性系数为 。 在重力P=mg的作用下 的作用下 在重力 弹簧变形为δ 称为静变形 该位置为平 静变形， 弹簧变形为 st，称为静变形，该位置为平 衡位置。重力和弹簧力。 衡位置。重力和弹簧力。
理论力学多媒体教材
第十章 振动
编 著 动 画 主 审 东北大学力学系 东北大学力学系 东北大学力学系 侯祥林 李永强 郭星辉 李永强 侯祥林 颜世英
第十章 振 动
第十章引言 §10-1 单自由度系统的自由振动 §10-2 计算固有频率的能量法 §10-3 单自由度系统的有阻尼自由振动 §10-4 单自由度系统的无阻尼受迫振动 §10-5 单自由度系统的有阻尼受迫振动 §10-6 转子的临界转速 §10-7 隔 振 受迫振动例题 自由振动例题
θ = arctan
ω n x0
v0 则此物块的运动方程为： x = 35.1sin( 40t − 0.087) mm
= −0.084rad
x
选题
例2 如图所示无重弹性梁,当其中部放置质量为M的物块,其静挠度为2mm。 若将此物块在梁未变形位置处无初速释放,求系统的振动规律。 解：1）此无重弹性梁相当于 一弹簧，其静挠度相当于弹簧 的静伸长，则梁的刚性系数为 mg K= δ st 2）重物在梁上振动时，所受的力有重力mg 和弹性力F，若取其平衡位置为坐标原点， x轴方向铅直向下。 3）列出运动微分方程为： 设
x0 = −δ 0 = 0.5 × 9.8 × sin 30° − 3.06 ×103 m 0.8 × 1000
δ0
x
O
r F
A
物块碰上弹簧时,初始速度为：
v0 = 2 gh = 2 × 9.8 × 0.1 = 1.4m / s
h
得振幅及初相位：
A=
x
2 0
+
ω
v
2 0 2 n
= 35.1mm
r r FN β mg
m=P k=P g
δ st
ωn =
k m
ωn =
g
δ st
上式表明：上述振动系统，知道重力作用下的静变形，就可求得系统的 上式表明：上述振动系统，知道重力作用下的静变形， 固有频率。 固有频率。 我们可以根据车厢下面弹簧的压缩量来估算车厢上下振动的频率。 如：我们可以根据车厢下面弹簧的压缩量来估算车厢上下振动的频率。 满载车厢的弹簧静变形比空载车厢大，则其振动频率比空载车厢低。 满载车厢的弹簧静变形比空载车厢大，则其振动频率比空载车厢低。
l0
Fst
δ st
O
r F r P
Fst = kδ st
P = mg
mg x mg = kδ st δ st = 平衡时满足： 平衡时满足： k 取重物的平衡位置点O为坐标原点，取x轴的 x 正向铅直向下。受力如图 。
r mg
弹簧力F： F = k ( x + δ st ) 由质点运动微分方程可列： d 2x m 2 = P − k (δ st + x) mg = kδ st dt
第十章 振 动
振动是日常生活和工程中普遍存在的现象，有机械振动、 电磁振荡、光的波动等不同的形式。 这里研究机械振动，如钟摆的摆动、汽车的颠簸、混凝 土振动捣实以至地震等。 特点：物体围绕其平衡位置而往复运动。 掌握机械振动的基本规律，可以更好地利用有益的振动而 减少振动的危害。 根据具体情况，振动系统可分为： 单自由度系统； 多自由度系统； 连续体系统。 这里只研究单自由度振动。
k
h
2）以物块平衡位置O为原 点，取x轴如图。
x
3）物块在任意位置x处受得力mg、 斜面约束力FN和弹性力F作用
4）物块沿x轴的运动微分方程为
d 2x m 2 = mg sin β − k (δ 0 + x) dt
mg sin β δ0 = k
δ0
x
O
r F
d 2x m 2 = − kx dt
A
h
d 2x m 2 = −kx dt
l0
δ st
O
x
r F
x
r P
表明，物体偏离平衡位置于坐标x处，受到与偏离距离成正 比而与偏离方向相反的合力，称此力为恢复力。 在恢复力作用下维持的振动称为无阻尼自由振动。 重力加在振动系统上只改变其平衡位置，只要将坐标原点取 在平衡位置，可得到如上形式的运动微分方程。
1 ω n = 2π = 2πf T 1 f = T
称为振动的频率 称为振动的频率 表示每秒钟的振动次数，其单位符号为1/s或 （赫兹） 表示每秒钟的振动次数，其单位符号为 或Hz（赫兹）。 因为ω 因为 n=2πf 所以ω 表示2π秒内的振动次数 称为圆频率 秒内的振动次数， 所以 n表示 秒内的振动次数，称为圆频率 单位符号为rad/s（弧度/秒）。 单位符号为 （弧度/ 由