Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Рассмотрим теперь возмущающую силу $P=F(t)$, приложенную к правому концу призматического стержня, показанного на рис. 5.2, a. Свободные колебания этого стержня рассматривались в предыдущем параграфе, поэтому нормальные функции для данного случая можем записать в виде Произвольного вида перемещение $u=f(x)$ можно получить, пров суммировав перемещения, соответствующие нормальным формам колебаний (а). Следовательно, перемещения при колебаниях, обусловленных действием возмущающей силы $P_{1}$, можно представить в виде следующего ряда: где $\varphi_{1}, \varphi_{3}, \varphi_{5}, \ldots$ — некоторые неизвестные функции времени. В случае свободных колебаний эти функции равны выражениям, стоящим в скобках в представлении (5.7). Для того чтобы определить эти функции применительно к случаю вынужденных колебаний, воспользуемся принципом возможной работы. Здесь необходимо рассмотреть три вида сил: силу инерции, действующую на каждый малый элемент колеблющегося стержня; силу упругости, действующую на каждый элемент и обусловленную деформацией стержня, и, наконец, возмущающую силу, приложенную к концу стержня. В качестве возможного перемещения можно взять произвольное продольное перемещение $\delta u$, удовлетворяющее условию непрерывности деформаций и заданному условию на жестко закрепленном конце $\left(\delta u_{x=0}=0\right)$. Удобнее взять возможные перемещения в виде нормальных функций, описываемых выражением (a): Учитывая, что масса малого элемента стержня, заключенного между двумя смежными поперечными сечениями, равна $\rho F d x$, найдем работу, совершаемую силами инерции на заданном возможном перемещении: Подставляя в это выражение представление (и) в виде ряда (5.8) и учитывая, что получим Для того чтобы подсчитать работу $\delta W_{\mathrm{y}}$, совершаемую упругими силами, заметим, что на каждый элемент действует сила $E F u^{\prime \prime} d x$, и тогда получим Подставляя в это выражение вторую производную представления (5.8) по $x$ и используя выражение (б) для $\delta u_{i}$, найдем В последующих параграфах при подсчете возможной работы, совершаемой упругими силами, будет удобно сначала определить энергию деформации тела. В рассматриваемом случае с упругим стержнем энергия деформации Подставляя сюда представление в форме тригонометрического ряда (5.8) для функции и и учитывая равенства найдем окончательное выражение для энергии деформации Отсюда видно, что величина энергии деформации стержня в любой момент времени зависит от величин $\varphi_{i}$, определяющих перемещение стержня. Если одной из этих величин задать приращение $\delta \varphi_{i}$, то соответствующее перемещение а соответствующее приращение энергии деформации Той же самой величине, взятой с отрицательным знаком, будет равна работа упругих сил на перемещении (ж). Для того чтобы получить работу упругих сил на возможном перемещении (б), необходимо заменить $\delta \varphi_{i}$ на $D_{i}$, что следует из сравнения выражений (б) и (ж). Таким образом, видим, что работа, определяемая выражением равна работе, определяемой выражением (г). ное перемещение этого конца получается подстановкой $x=l$ в выражение (б), и тогда указанная возможная работа Суммируя выражения (в), (и) и (к), найдем выражение для полной возможной работы. Приравнивая это выражение нулю, получим или где $p_{i}=i \pi a / 2 l ; i=1,3,5, \ldots$ Отметим, что, как и следовало ожидать, постоянная $D_{i}$, определяющая мгновенное значение возможного перемещения (б), в уравнении (л) сократилась. Каждую из величин $\varphi_{i}$, входящую в ряд (5.8), можно легко найти, решив уравнение (л), если известно выражение для $P$ как функции от времени. Если начальные перемещения и скорости равны нулю, необходимо рассмотреть только колебания, обусловленные возмущающей силой $P$. Представив решение уравнения (л) в форме интеграла Дюамеля, найдем Подставляя представление (м) в выражение (5.8), получим выражение для динамических перемещений стержня, обусловленных действием возмущающей силы $P$ : В качестве частного примера рассмотрим случай колебаний, возникающих в стержне, когда в момент времени $t=0$ внезапно при) кладывается постоянная сила $P$. Тогда стоящий в выражении (5.9 интеграл легко вычисляется и в результате находим Подставляя сюда $x=l$, получаем перемещение на конце стержня Видно, что при внезапном приложении силы $P$ в стержне возбуждаются все формы колебаний. Максимальное перемещение возникает при $t=2 l / a$, поскольку в этот момент времени имеем $1-\cos x$ $\times(i \pi a t / 2 l)=2$, что дает следующее значение перемещения: Учитывая равенства находим $(u)_{x=l}=2 l P /(E F)$. Таким образом приходим к выводу, что внезапно приложенная нагрузка $P$ вызывает в 2 раза большее перемещение, чем эта же нагрузка при статическом приложении. В качестве второго примера рассмотрим продольные динамические перемещения стержня с обоими незакрепленными концами * (см. рис. 5.1, a), к концу $x=l$ которого внезапно прикладывается сила $P$. Поступая, как и в предыдущем параграфе, и используя нормальные функции для стержня с обоими незакрепленными концами [см. выражение (5.6) ], продольные перемещения колеблющегося стержня представим в виде следующего ряда: Первое слагаемое $\varphi_{0}$ описывает движение стержня как абсолютно жесткого тела. На это движение накладываются движения по остальным формам продольных колебаний стержня. Для определения функции $\varphi_{0}$ имеем уравнение Функции $\varphi_{1}, \varphi_{2}, \varphi_{3}, \ldots$, как и выше, будем определять с помощью принципа возможных перемещений. Взяв для возможного перемещения следующее представление: найдем работу сил инерции на этом перемещении: Энергия деформации колеблющегося стержня в произвольный момент времени И, наконец, работа силы $P$ на перемещении (р) Приравняв нулю сумму выражений (с), (у) и (ф), получим уравнение где $p_{i}=i л a / l$. Из этого уравнения и уравнения (и), полагая, что в начальный момент времени стержень находился в покое, получаем Подставляя эти выражения в представление (5.10), найдем Для того чтобы найти перемещение того конца стержня, к которому приложена сила $P$, в решение (ш) подставим $x=l$, что дает Для момента времени $t=l / a$ имеем В этот момент времени перемещение равно удлинению стержня при действии постоянной растягивающей силы $P$. Пример 1. Определить динамические перемещения при установившихся вынужденных колебаниях стержня, один конец которого жестко закреплен, а второй свободен (см. рис. 5.2,a), если к незакрепленному концу стержня прикладывается изменяющаяся во времени сила $P=P_{1} \sin \omega t$. Решение. Уравнение (л) в данном случае принимает вид Решая его применительно к случаю установившихся вынужденных колебаний, получим Подставляя эти функции в представление (5.8), можем найти искомые динамические перемещения при вынужденных колебаниях стержня. Амплитуда колебаний соответствующего типа становится большой, когда частота $\omega$ достигает значения, равного одной трети собственной частоты колебаний стержня. Пример 2. Буровая штанга представляет стальную трубу длиной 101,6 м. Рассматривая штангу как стержень с незакрепленными концами, определить период колебаний $\tau$ основной формы. Найти, кроме того, перемещение $\delta$ конца $x=l$ в момент времени $t=\tau_{1} / 2$, обусловленное внезапным приложением к этому концу растягивающего напряжения $\sigma=P / F=2,11 \cdot 10^{7}$ Па. Принять, что $E=2,11 \cdot 10^{11}$ Па, $\rho=7,85 \cdot 10^{3} \mathrm{H} \cdot \mathrm{c}^{2} / \mathrm{m}^{4}$. а период основной формы колебаний $\tau=2 l / a=0,47$ с. Из выражения (э) находим искомое перемещение ЗАДАЧИ 5.3.1. Предположим, что в середине пролета стержня с жестко закрепленными концами внезапно прикладывается постоянная продольная сила $P$ (см. рис. 5.3, a). Определить продольные динамические перемещения стержня, который в начальный момент времени находился в покое.
|
1 |
Оглавление
|