Реферат Курсовая Конспект
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ. - раздел Образование, ПЛОСКАЯ СИСТЕМА СИЛ Задание Д.з. Исследование Колебательного Движения Материально...
|
Задание Д.З. Исследование колебательного движения материальной точки
В задании рассматриваются колебания груза D или системы грузов D и Е. Во всех вариантах, представленных ниже, считать, что сила сопротивления движению R измеряется в Н, скорость движения v - в м/с, а величина ξ — в см.
Рис. 32
Варианты 1—5 (рис. 32). Найти уравнение движения груза Д массой тD (варианты 2 и 4) или системы грузов D и Е массами тD и т E (варианты 1, 3, 5), отнеся их движение к оси х; начало отсчета совместить с положением покоя груза D или соответственно система грузов D и Е (при статической деформации пружин). Стержень, соединяющий грузы, считать невесомым и недеформируемым.
Вариант 1. Груз D (тD = 2 кг) прикреплен к бруску АВ, подвешенному к двум одинаковым параллельным пружинам, коэффициент жесткости каждой из которых с = 3 Н/см. Точка прикрепления груза D находится на равных расстояниях от осей пружин.
В некоторый момент времени к грузу D подвешивают груз Е (тE = 1 кг). Сопротивление движению системы двух грузов пропорционально скорости: R = 12 v (Н), где v — скорость (м/с).
Массой абсолютно жесткого бруска АВ и массой части демпфера. прикрепленной к бруску, пренебречь.
Вариант 2. В момент, когда стержень, соединяющий грузы D (тD = 1 кг) и Е (тE = 2 кг), перерезают, точка В (верхний конец последовательно соединенных пружин) начинает совершать движение по закону ξ = 1,5 sin l8 t (см) (ось ξ направлена вертикально вниз). Коэффициенты жесткости пружин c1 = 12 Н/см, с2 = 36 Н/см.
Вариант 3. Груз D (тD = 0,8 кг) висит на пружине, прикрепленной к точке F бруска АВ и имеющей коэффициент жесткости с1 = 10 Н/см. Брусок подвешен к двум параллельным пружинам, коэффициенты жесткости которых с2 = 4 Н/см, с3 = б Н/см; точка F находится на расстояниях а и b от осей этих пружин: а / b = с3 / с2.
В некоторый момент времени к грузу D подвешивают груз Е (тE = 1,2 кг). В этот же момент системе грузов сообщают скорость v O = 0,2 м/с, направленную вниз. Массой абсолютно жесткого бруска АВ пренебречь.
Вариант 4. Статическая деформация двух одинаковых параллельных пружин под действием грузов D (тD = 0,5 кг) и Е (тE =1,5 кг) f ст = 4 см. Грузы подвешены к пружинам с помощью абсолютно жесткого бруска АВ. В некоторый момент времени стержень, соединяющий грузы, перерезают. Сопротивление движению груза D пропорционально скорости: R = 6 v, где v — скорость. Массой бруска и массой прикрепленной к бруску части демпфера пренебречь.
Вариант 5. Одновременно с подвешиванием к грузу D (тD =1,6 кг), висящему на пружине, коэффициент жесткости которой с = 4 Н/см, груза Е (тE = 2,4 кг) точка В (верхний конец пружины) начинает совершать движение по закону ξ = 2 sin 5t (ось ξ направлена вертикально вниз).
Примечание. Положение начала отсчета на оси х соответствует среднему положению точки В (ξ = 0).
Варианты 6—10 (рис. 32). Найти уравнение движения груза D массой т по гладкой наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол α, с момента соприкасания груза с пружиной или с системой пружин, предполагая, что при дальнейшем движении груз от пружин не отделяется. Движение груза отнести к оси х, приняв за начало отсчета положение покоя груза (при статической деформации дружин).
Вариант 6. Пройдя без начальной скорости по наклонной плоскости (α = 30°) расстояние s = 0,1 м, груз D (т = 4 кг) ударяется о недеформированные, последовательно соединенные пружины, имеющие коэффициенты жесткости
c 1= 48 Н/см и с 2 = 24 Н/см.
Вариант 7. В некоторый момент времени груз D (т = 2 кг) присоединяют без начальной скорости к концу А недеформированных последовательно соединенных пружин, имеющих коэффициенты жесткости c 1= 12 Н/см, с 2 = 6 Н/см. В тот же момент времени (t = 0) другой конец пружин В начинает совершать движение вдоль наклонной плоскости (α = 45°) по закону ξ = 0,02 sin 20 t (м) (ось ξ направлена вдоль наклонной плоскости вниз).
Примечание. Положение начала отсчета на оси х соответствует среднему положению точки В (ξ = 0).
Вариант 8. Две параллельные пружины 1 и 2, имеющие коэффициенты жесткости c 1 = 4 Н/см и с 2 = 6 Н/см, соединены абсолютно жестким бруском АВ, к точке К которого прикреплена пружина 3 с коэффициентом жесткости с3 = 15 Н/см. Точка К находится на расстояниях а и b от осей пружин 1 и 2: a/b = с 2 / c 1. Пружины 1, 2 и 3 не деформированы. Груз D массой 1,5 кг присоединяют к концу N пружины 3; в тот же момент грузу D сообщают скорость v O = 0,5 м/с, направленную вниз параллельно наклонной плоскости (α = 45°). Массой бруска АВ пренебречь.
Вариант 9. Груз D (т =1,2 кг), пройдя без начальной скорости по наклонной плоскости (α = 30°) расстояние s = 0,2 м, ударяется о недеформированную пружину, коэффициент жесткости которой с = 4,8 Н/см. В этот же момент (t = 0) точка В (нижний конец пружины) начинает совершать вдоль наклонной плоскости движение по закону ξ = 0,03sin l2t (м) (ось ξ направлена вдоль наклонной плоскости вниз) (см. примечание к варианту 7).
Вариант 10. Груз D {т = 1 кг) прикрепляют в середине абсолютно жесткого бруска АВ, соединяющего концы двух одинаковых параллельных пружин, не сообщая начальной скорости; пружины не деформированы. Коэффициенты жесткости пружин с = 1,5 Н/см. Сопротивление движению груза пропорционально скорости: R = 8 v, где v -- скорость, α = 60°. Массой бруска АВ и массой прикрепленной к бруску части демпфера пренебречь.
Варианты 11—15 (рис. 33). Груз D массой т укреплен на конце невесомого стержня, который может вращаться в горизонтальной плоскости вокруг оси Е. Груз соединен с пружиной или с системой пружин; положение покоя стержня, показанное на чертеже, соответствует недеформированным пружинам. Считая, что груз D, принимаемый за материальную точку, движется по прямой, определить уравнение движения этого груза (трением скольжения груза по плоскости пренебречь).
Движение отнести к оси x, за начало отсчета принять точку, соответствующую положению покоя груза.
Вариант 11. Груз D (т = 2,4 кг) соединен с точкой F бруска АВ, связывающего концы двух параллельных пружин, коэффициенты жесткости которых c 1 = 1 Н/см и с 2 = 1,4 Н/см. Точка F находится на расстояниях a и b от осей пружин: a/b= с 2 / c 1.
Груз D отклоняют на величину λ = 2 см влево от положения показанного на чертеже, и отпускают без начальной скорости. Сопротивление движению груза пропорционально скорости: R = 6v, где v — скорость. Массой абсолютно жесткого бруска АВ и массой демпфера пренебречь.
Вариант 12. В некоторый момент времени груз D (т = 3 кг) удерживаемый в положении, при котором пружина сжата на величину λ = 2 см, отпускают без начальной скорости. Коэффициент жесткости пружины с = 9 Н/см. Одновременно (t = 0) точка В (правый конец пружины) начинает совершать движение по закону ξ = 1,2 sin 8 t (см ) (ось ξ направлена влево).
Примечание. Положение начала отсчета на оси х соответствует среднему по- ложению точки В (ξ = 0).
Вариант 13. Груз D (т = 1 кг) прикреплен к концу пружины, имеющей коэффициент жесткости c 1 = 12 Н/см и соединенной другим концом с точкой F бруска АВ. Брусок АВ связывает концы двух параллельных пружин, коэффициент жесткости каждой из которых с = 3 Н/см. Точка F находится на равных расстояниях от осей параллельных пружин. Грузу в положении стержня, показанном на чертеже, сообщают скорость v O = 0,5 м/с, направленную вправо.
Сопротивление движению груза пропорционально скорости: R = 12 v, где v — скорость.
Шток демпфера пропущен через отверстие в невесомом бруске АЕ и соединен с грузом D.
Вариант 14. Груз D (т = 1,5 кг) прикреплен одной стороной к концу пружины, имеющей коэффициент жесткости c 1 = 4,4 Н/см а другой стороной — к концу двух последовательно соединенных пружин, коэффициенты жесткости которых с 2 = 2 Н/см, с 3 = 8 Н/см
Груз отклоняют на величину λ = 2,5 см влево от его положения показанного на чертеже, и отпускают, одновременно сообщая грузу начальную скорость v O = 0,4 м/с, направленную вправо.
Вариант 15. Груз D (т = 1 кг) прикреплен к концу А последовательно соединенных пружин. Другой конец пружин В движется по закону
ξ = 1,8 sin l2 t (см) (ось ξ направлена влево). Коэффициенты жесткости пружин
c 1 = 4 Н/см, с 2 = 12 Н/см. При t = 0 груз находится в положении покоя, соответствующем недеформированным пружинам (см. примечание к варианту 12).
Варианты 16—20 (рис. 33). Найти уравнение движения груза D массой тD (варианты 17 и 19) или системы грузов D и Е массами тD и тЕ (варианты 16, 18, 20), отнеся движение к оси х; начало отсчета совместить с положением покоя груза D или соответственно системы грузов D и Е (при статической деформации пружин). Предполагается, что грузы D и Е при совместном движении не отделяются.
Рис. 33
Вариант 16. Пружина 1, на которой покоится груз D (тD = 10 кг), опирается в точке F на брусок АВ, соединяющий концы двух параллельных пружин 2 и 3. Коэффициенты жесткости (Н/см) пружин 1, 2 и 3: c 1 = 200, c 2 = 160, c 3 = 140.
Точка F находится на расстояниях а и b от осей пружин 2 и 3:
а / b = c 1 / c 3 .
В некоторый момент времени на груз D устанавливают груз Е (тЕ = 20 кг); одновременно системе грузов сообщают скорость v O = 0,4 м/с, направленную вниз. Массой абсолютно жесткого бруска АВ пренебречь.
Вариант 17. В некоторый момент времени груз Е снимают с груза D (оба груза находятся в состоянии покоя, соответствующем статической деформации пружины). Циклическая частота собственных колебаний системы грузов D и Е на пружине k = 20 рад/с, отношение масс тD / тЕ = 2/3.
Вариант 18. Статическая деформация каждой из двух одинаковых параллельных пружин под действием груза D (тD = 20 кг) равна f ст D = 2 см. В некоторый момент времени на груз D устанавливают груз Е ( тЕ =10 кг). Сопротивление движению грузов пропорционально скорости: R = 60√3v, где v — скорость. Массой абсолютно жесткого бруска АВ и массой части демпфера, связанной с ним, пренебречь.
Вариант 19. Два груза D и Е (тD = 15 кг, тЕ = 25 кг) покоятся на последовательно соединенных пружинах, имеющих коэффициенты жесткости
c 1 = 250 Н/см и c 2 = 375 Н/см. В момент, когда снимают груз Е, точка В опирания пружин начинает совершать движение по закону ξ = 0,5sin30t (ось ξ направлена вертикально вниз).
Примечание. Положение начала отсчета на оси х соответствует среднему положению точки В (ξ = 0).
Вариант 20. На груз D, находящийся в состоянии покоя, соответствующем статической деформации пружины, в некоторый момент времени устанавливают груз Е. В этот же момент времени системе двух грузов сообщают скорость v O = 0,3 м/с, направленную вниз. Циклическая частота собственных колебаний груза D на пружине k D = 24 рад/с, отношение масс тЕ / тD = 3.
Варианты 21—25 (рис. 34). Найти уравнение движения груза D массой т по гладкой наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол α, отнеся движение к оси х; за начало отсчета принять положение покоя груза (при статической деформации пружин).
Вариант 21. В некоторый момент времени груз D (т = 2 кг) прикрепляют к концам недеформированных пружин, имеющих коэффициенты жесткости c 1 = 7 Н/см и c 2 = 3 Н/см; одновременно сообщают скорость v O = 0,4 м/с, направленную вдоль наклонной плоскости (α = 45°) вниз.
Рис. 34
Вариант 22. Груз D находится на наклонной плоскости (α = 30°) в состоянии покоя, соответствующем статической деформации пружины f ст = 2 см. В некоторый момент времени (t = 0) точка В (верхний конец пружины) начинает совершать движение по закону ξ = 0,01sinl0 t (м) (ось ξ направлена вдоль наклонной плоскости вниз).
Примечание. Положение начала отсчета на оси х соответствует среднему положению точки В (ξ = 0).
Вариант 23. Груз D (т = 3 кг) прикрепляют к точке F бруска АВ, соединяющего концы двух недеформированных параллельных пружин, и отпускают без начальной скорости. Коэффициенты жесткости пружин c 1 = 2 Н/см и c 2 = 4 Н/см. Точка F находится на расстояниях а и b от осей пружины:
а /b= c 2 / c 1 ; α = 60°.
Сопротивление движению груза пропорционально скорости: R = 12 v, где v — скорость. Массой бруска АВ и массой демпфера пренебречь.
Вариант 24. В некоторый момент времени груз D (т = 1 кг) прикрепляют к концу А недеформированных последовательно соединенных пружин, имеющих коэффициенты жесткости c 1 = 12 Н/см и c 2 = 4 Н/см, и отпускают без начальной скорости.
Одновременно (t = 0) другой конец пружин В начинает совершать движение по закону ξ = 1,5sinl0t (см). Ось ξ направлена вдоль наклонной плоскости вниз (α = 30°) (см. примечание к варианту 22).
Вариант 25. Концы двух одинаковых параллельных пружин соединены бруском АВ. Статическая деформация каждой из пружин под действием груза D (т =1,5 кг), находящегося на наклонной плоскости (α = 30°), f ст = 4,9 см. В некоторый момент грузу D сообщают скорость v O = 0,3 м/с, направленную вверх вдоль наклонной плоскости. Сопротивление движению груза пропорционально скорости груза: R = 6v, где v — скорость.
Массой абсолютно жесткого бруска АВ и массой части демпфера, связанной с бруском, пренебречь.
Варианты 26—30 (рис. 34). Пренебрегая массой плиты и считая ее абсолютно жесткой, найти уравнение движения груза D массой т с момента соприкасания его с плитой, предполагая, что при дальнейшем движении груз от плиты не отделяется.
Движение груза отнести к оси х, приняв за начало отсчета положение покоя этого груза (при статической деформации пружин).
Вариант 26. Плита лежит на двух параллельных пружинах, имеющих коэффициенты жесткости c 1 = 600 Н/см и c 2 = 400 Н/см. Груз D (т = 50 кг) падает без начальной скорости с высоты h = 0,1 м в точку F плиты, находящуюся на расстояниях а и b от осей пружин:
a/b = c 2 / c 1.
Вариант 27. Коэффициент жесткости каждой из двух параллельных пружин, на которых лежит плита, с = 130 Н/см. Груз D (т = 40 кг) устанавливают на середину плиты и отпускают без начальной скорости при недеформированных пружинах. Сопротивление движению груза пропорционально скорости: R = 400 v, где v - скорость. Массой плиты и демпфера пренебречь.
Вариант 28. Груз D падает на плиту с высоты h = 5 см. Статический прогиб пружины под действием этого груза f ст = 1 см.
Вариант 29. Плита лежит на двух одинаковых параллельных пружинах 1 и 2, коэффициенты жесткости которых c 1 = c 2 = с = 400 Н/см. В некоторый момент времени груз D (т = 200 кг) устанавливают на середину плиты и одновременно прикрепляют к недеформированной пружине 3, имеющей коэффициент жесткости c 3 = 200 Н/см. В тот же момент времени (при недеформированных пружинах) грузу сообщают скорость v O = 0,6 м/с, направленную вниз.
Вариант 30. В некоторый момент времени груз D (т = 100 кг) устанавливают на плиту и отпускают (при недеформированной пружине) без начальной скорости. В этот же момент времени точка В (нижний конец пружины) начинает совершать движение по вертикали согласно закону ξ = 0,5 sin 20 t (см) (ось ξ направлена вниз). Коэффициент жесткости пружины с = 2000 Н/см.
Примечание. Начало отсчета на оси ж соответствует среднему положению точки В (ξ =0).
Рис. 35
Пример выполнения задания (рис. 35). Два груза D и Е массами тD = 2 кг и тЕ = 3 кг лежат на гладкой плоскости, наклоненной под углом α = 30° к горизонту, опираясь на пружину, коэффициент жесткости которой с = 6 Н/см = 600 Н/м.
В некоторый момент времени груз Е убирают; одновременно (t = 0) нижний конец пружины В начинает совершать вдоль наклонной плоскости движение по закону ξ = 0,02 sin l0t (м). Найти уравнение движения груза D.
Решение. Применим к решению задачи дифференциальные уравнения движения точки. Совместим начало координатной системы с положением покоя бpyсa D, соответствующим статической деформации пружины, при условии, что точка В занимает свое среднее положение (ξ =0).
Направим ось х вверх вдоль наклонной плоскости (в сторону движения груза D после снятия груза Е). Движение груза D определяется по следующему дифференциальному уравнению:
тD х ” = ∑ Х i ,
где ∑ Х i — сумма проекций на ось х сил, действующих на груз D (Рис 35, a): D — веса, — нормальной реакции наклонной плоскости, — силы упругости пружины.
Таким образом,
тD х ” = - G D sin α — Р.
Здесь
Р = с (х - f ст D - ξ),
где f ст D — статическая деформация пружины под действием груза D; ξ — перемещение точки прикрепления нижнего конца пружин происходящее по закону ξ = d sin pt (d = 0,02 м, р == 10 рад/с).
Статическую деформацию пружины f стD найдем из уравнения соответствующего состоянию покоя груза D на наклонной плоскости (рис. 35, б):
∑ Х i = О,
- G D sin α + Р0 = 0
т. е.
- G D sin α + с / f стD = О,
откуда
f стD = G D sin α / с.
Дифференциальное уравнение движения груза D примет вид
тD х ” = - G D sin α — с (х - f стD - ξ),
или после преобразования
тD х ” + сх = сd sin pt
Разделив все члены уравнения на тD и введя обозначения
c/ тD = k2, cd/ тD = h,
приведем дифференциальное уравнение к следующему виду:
х ” + k2х = h sin pt
Решение этого неоднородного уравнения складывается из общего решения х* соответствующего однородного уравнения и частного решения х* данного неоднородного уравнения:
х = х* + х**.
Общее решение однородного уравнения имеет вид
х* = C1 cos kt + С2 sin kt.
Частное решение неоднородного уравнения:
х ** = [ h / (k2 - p2) ] sin pt.
Общий интеграл
х = C1 cos kt + С2 sin kt + [ h / (k2 - p2) ] sin pt .
Для определения постоянных интегрирования С1 и С2 найдем, кроме того, уравнение для х’
х’ = - C1 k sin kt + С2 k cos kt + [hp/(k2 — р2)] cos pt
и используем начальные условия задачи.
Рассматриваемое движение начинается в момент (t = 0), когда деформация пружины является статической деформацией под действием грузов D и Е. При принятом положении начала отсчета О начальная координата груза D равна
x0 = - f ст Е , причем f ст Е = G Е sin α /с — статическая деформация пружины под действием груза Е.
Таким образом, при t = 0
x0 = - f ст Е , х’ 0 = 0.
Составим уравнения х = x(t) и х’ = х’ (t) для t = 0:
x0 = C1; х’ 0 = С2 k + hp /(k2 — р2) ,
откуда
C1 = - f ст Е , С2 = - hp / [ k(k2 - p2) ].
Уравнение движения груза D имеет следующий вид:
х =- f ст Е cos kt - ( hp / k(k2 - p2)) sin kt + ( h / (k2 - p2)) sin pt
Найдем числовые значения входящих в уравнение величин:
k = c/ тD = 6 • 100 / 2 = 17,3 c-1
f ст Е = G Е sin α /с = 3 • 9,81 • 0,5 / 6 •100 = 0,0245 м;
h / (k2 - p2) = cd / тD (k2 - p2) = (600 • 0,02) / (2 • (300 – 100) ) = 0,03 м
hp / k(k2 - p2) = 0,03 • 10 / 17,3 = 0,0173 м.
Следовательно, уравнение движения груза D
х = -2,45 cos 17,3 t - 1,73 sin 17,3 t + 3 sin 10 t (см).
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 8 (2.3.8.)
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ... ПЛОСКАЯ СИСТЕМА СИЛ СИСТЕМА ПРОИЗВОЛЬНО... СЛОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ СЛОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТОЧКИ Точка М...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ.
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов