第4章机械振动优秀课件.ppt
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1、第4章 机械振动1第1页,本讲稿共59页 狭义振动:狭义振动:物体在一固定位置附近作来回的往复物体在一固定位置附近作来回的往复 运动,称为运动,称为机械振动。机械振动。广义振动广义振动:任一物理量:任一物理量(如位移、电流等如位移、电流等)在某一在某一 数值附近反复变化。数值附近反复变化。振动中最简单最基本的是简谐振动振动中最简单最基本的是简谐振动。简谐振动简谐振动:一个作往复运动的物体,其偏离平衡位置的:一个作往复运动的物体,其偏离平衡位置的位移位移x(或角位移或角位移)随时间)随时间t按余弦(或正弦)规律变按余弦(或正弦)规律变化的振动。化的振动。2第2页,本讲稿共59页一、几个谐振动的实
2、例一、几个谐振动的实例、弹簧振子、弹簧振子构成:构成:轻质弹簧与刚体联结轻质弹簧与刚体联结条件:条件:位移在弹性限度内,位移在弹性限度内,无阻尼时的自由振动无阻尼时的自由振动 阻尼:阻尼:干摩擦、湿摩擦(介质阻力)、辐射干摩擦、湿摩擦(介质阻力)、辐射自由振动:自由振动:指系统只受外界一次性扰动,而后的运动指系统只受外界一次性扰动,而后的运动 只在系只在系 统内部回复力作用下运动。统内部回复力作用下运动。X0回上页回上页下一页下一页回首页回首页4-1 4-1 简谐振动的动力学特征简谐振动的动力学特征3第3页,本讲稿共59页(1 1)平衡位置与坐标原点:)平衡位置与坐标原点:平衡位置:是系统处于
3、稳定平稳的位置,并选该点为坐标原平衡位置:是系统处于稳定平稳的位置,并选该点为坐标原点。点。(3 3)惯性的作用)惯性的作用整个系统是在内部线性回复力和惯性的交互作用下来实现振动的。整个系统是在内部线性回复力和惯性的交互作用下来实现振动的。回复力与位移正比而反回复力与位移正比而反向(线性回复力),即向(线性回复力),即 (2 2)弹性回复力的特点:)弹性回复力的特点:此处位移特指系统偏离平衡位置的此处位移特指系统偏离平衡位置的位移位移。F=-kx X0 xFK回上页回上页下一页下一页回首页回首页4第4页,本讲稿共59页(4 4)弹簧振子的运动微分方程)弹簧振子的运动微分方程解微分方程得:解微分
4、方程得:回上页回上页下一页下一页回首页回首页以振子为对象以振子为对象,由牛顿定律:由牛顿定律:5第5页,本讲稿共59页(1 1)平衡位置与坐标原点:)平衡位置与坐标原点:铅直位置为角平衡位置,铅直位置为角平衡位置,o o为角坐标为角坐标原点。原点。(2 2)回复力矩的特点:)回复力矩的特点:重力对过悬点重力对过悬点0/0/的水平轴的力矩为的水平轴的力矩为:负号表示力矩方向始终与角位置方负号表示力矩方向始终与角位置方向相反向相反、单摆、单摆R回上页回上页下一页下一页回首页回首页6第6页,本讲稿共59页根据麦克劳林展开根据麦克劳林展开 略去高阶无穷小后略去高阶无穷小后(3 3)惯性的作用:)惯性的
5、作用:回上页回上页下一页下一页回首页回首页(4 4)单摆的运动微分方程)单摆的运动微分方程由定轴转动的转动定律:由定轴转动的转动定律:方程的解为方程的解为7第7页,本讲稿共59页2 2)复摆运动微分方程)复摆运动微分方程 、复、复 摆摆式中式中h指质心到悬点的距离指质心到悬点的距离由定轴转动的转动定律:由定轴转动的转动定律:方程的解为方程的解为 c回上页回上页下一页下一页回首页回首页1 1)定义:)定义:构成:刚体绕水平光滑轴转动构成:刚体绕水平光滑轴转动条件:同单摆条件:同单摆8第8页,本讲稿共59页二、简谐振动的特征二、简谐振动的特征1、动力学特征:、动力学特征:其谐振动的微分方程其谐振动
6、的微分方程:2、运动学特征:、运动学特征:谐振动的运动学方程谐振动的运动学方程式中式中A A、是由初始条件所决定的两个积分常数是由初始条件所决定的两个积分常数 振动系统所受的力是线性回复力(力矩)振动系统所受的力是线性回复力(力矩)物体振动时,它离开平衡位置的位移是时间的余弦函数。物体振动时,它离开平衡位置的位移是时间的余弦函数。回上页回上页下一页下一页回首页回首页F=-kx 9第9页,本讲稿共59页 例例1 1:弹簧下面悬挂一物体,不计弹弹簧下面悬挂一物体,不计弹簧重量和阻力,试证其在平衡位置附近簧重量和阻力,试证其在平衡位置附近的振动是谐振动。的振动是谐振动。证:证:以平衡位置以平衡位置A
7、 A为原点,向下为为原点,向下为x x轴正向,轴正向,设某一瞬时设某一瞬时m m的坐标为的坐标为x x,则物体在振动过程中的运动微分方程则物体在振动过程中的运动微分方程为为 这说明:若一个谐振子系统受到一个恒力作用,只要将其这说明:若一个谐振子系统受到一个恒力作用,只要将其坐标原点移至恒力作用下新的平衡位置,该系统仍是一个与坐标原点移至恒力作用下新的平衡位置,该系统仍是一个与原系统动力学特征相同的谐振子系统。原系统动力学特征相同的谐振子系统。xAx0mgF回上页回上页下一页下一页回首页回首页式中式中 是弹簧挂上重物后的静伸长是弹簧挂上重物后的静伸长 10第10页,本讲稿共59页一、谐振动的运动
8、学方程一、谐振动的运动学方程以弹簧振子为例,其动力学方程为以弹簧振子为例,其动力学方程为该方程的解该方程的解即为谐振动的运动学方程即为谐振动的运动学方程式中式中A和和0为由初始条件所决定的两个积分常数。为由初始条件所决定的两个积分常数。回上页回上页下一页下一页回首页回首页4-2 4-2 谐振动的运动学谐振动的运动学11第11页,本讲稿共59页二、描述谐振动的三个物理量二、描述谐振动的三个物理量 1、振幅、振幅A由初始条件由初始条件x0、v0决定决定(1 1)周期)周期T T:完成一次完全振动所需的时间完成一次完全振动所需的时间2、周期、周期T(频率频率、圆频率、圆频率、固有圆频率)固有圆频率)
9、回上页回上页下一页下一页回首页回首页12第12页,本讲稿共59页(3)(3)圆频率圆频率:秒内完成的完全振动的次数秒内完成的完全振动的次数固有角频率固有角频率回上页回上页下一页下一页回首页回首页(2)(2)频率频率:单位时间内所完成的完全振动的次数单位时间内所完成的完全振动的次数即固有振动周期固有振动周期(4)(4)固有圆频率:固有圆频率:仅由振动系统的力学性质所决定的频率仅由振动系统的力学性质所决定的频率13第13页,本讲稿共59页 3、位相:、位相:位相是描述系统的机械运动状态的物理量。(相又指月相之相位相是描述系统的机械运动状态的物理量。(相又指月相之相取其具有周期性。)取其具有周期性。
10、)(位位位置;相位置;相变化的态势)变化的态势)回上页回上页下一页下一页回首页回首页取使x0、v0 均满足的值 14第14页,本讲稿共59页X0v t=0时,x0=0,v00vX0v t=0时,x0=-A,v0=0-A回上页回上页下一页下一页用分析法确定初位相用分析法确定初位相v t=0 时,x0=A,v0=0.X0X0=+A15第15页,本讲稿共59页X0 A2v t=0时,x0=A/2,v0016第16页,本讲稿共59页AXoXo tXo-AXoAXo t t t t17第17页,本讲稿共59页谐振动的速度,加速度特点谐振动的速度,加速度特点2)2)加速度特征:加速度特征:1)1)速度特征
11、:速度特征:(ii)“”表示对应于每一个坐标值,有两种可能的方向回上页回上页下一页下一页回首页回首页18第18页,本讲稿共59页例例2:振动曲线如图振动曲线如图(a)(b)a)(b)所示,写出它们的振动方程。所示,写出它们的振动方程。500.40.60.2t(s)x(cm)(a)300.20.30.1t(s)X(cm)(b)回上页回上页下一页下一页回首页回首页19第19页,本讲稿共59页解:解:例例3:已知谐振子的振动方程为:已知谐振子的振动方程为 (SI),求振幅、圆频率、频率、初位相、以及求振幅、圆频率、频率、初位相、以及t=1s时时的位相。的位相。20第20页,本讲稿共59页例例4:如图
12、,倔强系数为的直立弹簧下端固定,上端与物块如图,倔强系数为的直立弹簧下端固定,上端与物块相连,另一物块在离为相连,另一物块在离为h h高处自由落下与发生完全非弹性高处自由落下与发生完全非弹性碰撞,设两物块质量均为碰撞,设两物块质量均为m m 试写出该系统的振动表达式试写出该系统的振动表达式使两物块碰后能一起振动而不分离时使两物块碰后能一起振动而不分离时h h的最大值的最大值 以以B B,C C均压在弹簧上静平衡为坐标原点,向下为均压在弹簧上静平衡为坐标原点,向下为x x轴正向,轴正向,B B,C C发生碰撞完结瞬时开始计,则该谐振动系的初始条件为:发生碰撞完结瞬时开始计,则该谐振动系的初始条件
13、为:回上页回上页下一页下一页回首页回首页21第21页,本讲稿共59页因此系统振动表达式为因此系统振动表达式为两物竖直方向向下运动时的加速度不能大于两物竖直方向向下运动时的加速度不能大于g g即:即:回上页回上页下一页下一页回首页回首页22第22页,本讲稿共59页例例5:一质量为一质量为M M的物体在光滑水平面上作简谐振动,振幅是的物体在光滑水平面上作简谐振动,振幅是1212cmcm,在距平衡位置在距平衡位置6 6cmcm处速度是处速度是2424cm/scm/s,求:求:(1 1)周期)周期T T;(2 2)当速度是当速度是1212cm/scm/s时的位移。时的位移。解解(1)代入有关数值代入有
14、关数值(2)回上页回上页下一页下一页回首页回首页23第23页,本讲稿共59页例例6:有一轻弹簧,当下端挂一个质量有一轻弹簧,当下端挂一个质量1 11010的物体而平衡时,的物体而平衡时,伸长量为伸长量为4.94.9用这个弹簧和质量用这个弹簧和质量2 21616的物体连成一弹的物体连成一弹簧振子若取平衡位置为原点,向上为轴的正方向将簧振子若取平衡位置为原点,向上为轴的正方向将2 2从从平衡位置向下拉平衡位置向下拉 2 2后,给予向上的初速度后,给予向上的初速度0 05 5 cm/s cm/s 并开并开始计时,试求始计时,试求2 2的振动周期和振动的数值表达式的振动周期和振动的数值表达式 取下取下
15、1 1挂上挂上2 2后后回上页回上页下一页下一页回首页回首页 l 1g 1 g/l 2()解:设弹簧的原长为解:设弹簧的原长为 ,悬挂悬挂1 1后伸长后伸长 ,则则 24第24页,本讲稿共59页时,0210-2m 0510-2ms-1解得 tg-1(00)12.6 或在第三象限,0 18012.6 振动表达式为 2.0510-2cos(11.22.92)()应取 0 180+12.6192.63.36 rad 也可写成 0 2.92 rad回上页回上页下一页下一页回首页回首页25第25页,本讲稿共59页三、简谐振动的三、简谐振动的旋转矢量表示法旋转矢量表示法 0t=0 x t+0t=toX26
16、第26页,本讲稿共59页回上页回上页下一页下一页回首页回首页参考圆、参考点:参考圆、参考点:(1)(1)所谓参考圆:指旋转矢量旋转一周时矢量端点的轨迹;所谓参考圆:指旋转矢量旋转一周时矢量端点的轨迹;而矢量的端点则谓之参考点。而矢量的端点则谓之参考点。参考点在坐标轴上的投影才是谐振动参考点在坐标轴上的投影才是谐振动(2 2)利用参考点在参考圆中的位置来判断振动位相所在的象限)利用参考点在参考圆中的位置来判断振动位相所在的象限由图可知由图可知:X27第27页,本讲稿共59页位相差位相差两个振动在同一时刻两个振动在同一时刻t t的的位相差位相差=2-1=(2t+20)-(1t+10)=(2-1)t
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