單自由度振動(dòng)方程

神奇小車在無(wú)阻尼無(wú)外加力的環(huán)境條件下:
?小車質(zhì)量M,彈簧勁度系數(shù)k村斟,無(wú)摩擦力贫导,小車運(yùn)動(dòng)位置x

根據(jù)牛頓第二定律列寫方程:

Ma=-kx M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}=-kx M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+kx=0

列出齊次方程,解特征方程:

Mr^{2}+k=0 r=\pm i\sqrt{\frac{k}{M}} x=C_{1}e^{i\sqrt{\frac{k}{M}}t}+C_{2}e^{-i\sqrt{\frac{k}{M}}t}

假設(shè)\omega_{0}= \frac{2\pi}{f_{0}}=\sqrt{\frac{k}{M}}蟆盹,帶入:

x=C_{1}e^{i\omega_{0}t}+C_{2}e^{-i\omega_{0}t} x=Ce^{i(\omega_{0}t+\varphi)}

\omega_{0}f_{0}只與震動(dòng)系統(tǒng)本身參數(shù)有關(guān)孩灯,不隨時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化,f_{0}稱為系統(tǒng)固有頻率

神奇小車在有阻尼有外加力的環(huán)境條件下:
?小車質(zhì)量M日缨,彈簧勁度系數(shù)k钱反,阻尼系數(shù)R_{m},無(wú)摩擦力匣距,小車受到外力F面哥,小車運(yùn)動(dòng)位置x

根據(jù)牛頓第二定律列寫方程:

Ma=F-R_{m}V-kx M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}=F-R_{m} \frac{dx}{dt}-kx M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+R_{m} \frac{dx}{dt}+kx=F

列出齊次方程,解特征方程:

M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+R_{m} \frac{dx}{dt}+kx=0 Mr^{2}+R_{m}r+k=0

當(dāng)阻尼較大時(shí)R_{m}^{2}-4Mk>0毅待,特征方程有實(shí)數(shù)解:

r=\frac{-R_{m}\pm \sqrt {R_{m}^{2}-4Mk}}{2M}

設(shè)物理量阻尼系數(shù)\delta = \frac{R_{m}}{2M}尚卫,將\delta\omega_{0}帶入:

r=-\delta \pm\sqrt{\delta^{2}-\omega_{0}^{2}} x=e^{-\delta t}(C_{1}e^{\sqrt{\delta^{2}-\omega_{0}^{2}}t}+C_{2}e^{-\sqrt{\delta^{2}-\omega_{0}^{2}}t})

當(dāng)阻尼較小時(shí)R_{m}^{2}-4Mk<0,特征方程有復(fù)數(shù)解:

r=-\delta \pm i\sqrt{\omega_{0}^{2}-\delta^{2}} x=e^{-\delta t}Ce^{i(\sqrt{\omega_{0}^{2}- \delta^{2}}t+\varphi)}

將外力F=|F|e^{j(\omega t+\varphi)}帶入非齊次方程求特解:

M\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+R_{m}\frac{dx}{dt}+kx=|F|e^{j(\omega t+\varphi)} x=Ce^{j(\omega t+\varphi)} C=\frac{|F|}{-M\omega^{2}+jR_{m}\omega+k} C=\frac{|F|}{j\omega(R_{m}+j(M\omega -\frac{k}{\omega}))}

定義物理量機(jī)械阻抗Z_{m}=R_{m}+j(M\omega-\frac{k}{\omega})帶入:

x=\frac{|F|e^{j(\omega t+\varphi)}}{j\omega Z_{m}}

x分子部分即為F尸红,對(duì)x在時(shí)間上求導(dǎo)得到速度v

v=\frac{j\omega|F|e^{j(\omega t+\varphi)}}{j\omega Z_{m}} v=\frac{F}{Z_{m}}

由式可得震動(dòng)速度vR_{m}吱涉、M刹泄、kF的關(guān)系怎爵,v也被稱為質(zhì)點(diǎn)振速u

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