137330987 mechanical vibrations (1)

34
Ó 2008 Zachary S Tseng  B-3 - 1 Mechanical Vibrations  A mass m  is suspended at the end of  a spring, its weight st ret che s the spring by a length  L to reach a static state (the equil ibrium  position  of the system). Let u(t ) denote the displacement,  as a function of time, of  the mass relative to its equilibrium  position.  Recall that the textbook’s convention is that down ward is  positive Then, u > 0 means the spring is stretched  beyond its equilibriu m l e ngt h,  while u < 0 means tha t the spri n g is c ompr e s se d.  The m ass is t hen set in motion (by any one of  several means). Ó 2008 Zachary S Tseng  B-3 - 2 The equation s that govern a mass- spring system At equ ili bri um: (by  Hooke’s  Law) 

Upload: didin-mahfuddin

Post on 03-Apr-2018

238 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 1/33

8  Zachary S Tseng   B-3 - 1 

chanical Vibrations mass m  is  suspended at  the end of  a spring, its weight st retches the spring 

a length  L to reach a static state (the equil ibrium  posit

system). 

u(t ) denote  the 

lacement,  as a  funct

e, of  the  mass  relats 

ilibrium   position.  Reca

textbook’s  conv

hat 

wn ward is   posit

n,  u > 0  mean

spring  is 

stretched   be

its 

equilibriu m

l e ngt h,  wh

<  0  m

tha t th

spri n g i

c ompr e s se d.  The 

m as

t hen set  in

motion  (b

one of   semeans). 

Ó 2008  Zachary S  Tse

 B-3 - 2 

The 

equation s govern a  mas

spring  syst

At 

equ ilibri

(by  Hooke

 Law

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 2/33

= kL 

ile in motion: 

² +  g  u¢ + k  u =  F (t ) 

s is a second order  linear  differential equation with constant coefficients. 

sually comes with two initial conditions:  u(t 

u

d  u¢(t 

mmary of  terms: 

u(t ) = displacement of  the mass relative to its equilibrium  position. 

m  = mass  (m  > 0) 

 g  = damping constant  ( g  ³ 0) 

k  = spring (Hooke’s) constant  (k  > 0) 

 g  = gravitational constant 

elongation of  the spring caused  by the weight 

 F (t ) = Externally applied forcing function, if  any u(t 

nitial displacement of  the mass 

u¢(t 

nitial velocity of  the mass 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 3 

damped Free Vibration  ( g  = 0,  F (t ) = 0) 

simplest mechanical vibration equation occurs when  g  = 0,  F (t ) = 0. 

s is the undamped free vibration.  The motion equation is 

m u ² + k  u = 0. 

characteristic equation is m

= 0.  Its solutions are 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 3/33

±

general solution is then 

) = C 

s w

w

ere 

alled the natural   frequency of  the system.  It is the 

uency at which the system tends to oscillate in the absence of  any 

mping.  A motion of  this type is called  sim pl e har monic motion . 

ment  :  Just like everywhere else in calculus, the angle  is measured in 

ans, and the (angular) frequency is given in radians  per  second.  The 

uency is not given in hertz (which measures the number  of  cycles or  

olutions  per  second).  Instead, their  relation is:  2 p radians/sec = 1 hertz. 

(natural)  period  of  the oscillation is given  by 

conds). 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 4 

get a clearer   picture of  how this solution  behaves, we can simplify it with 

identities and rewrite it as 

u(t ) =  R cos (w

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 4/33

d ). 

displacement is oscillating steadily with constant amplitude of  

llation 

+

angle d  is the  phase or   phase an g l e of  displacement.  It measures how 

ch u(t ) lags (when d  > 0), or  leads (when d  < 0) relative to cos(w

ch has a  peak  at t  = 0.  The  phase angle satisfies the relation 

re explicitly, it is calculated  by: 

if  C 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 5/33

+

if  C 

if  C 

and C 

if  C 

and C 

The angle is undefined if  C 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 5 

example of  simple harmonic motion: 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 6/33

Graph of   u(t ) = cos(t ) − sin(t ) Amplitude: 

Phase angle:  d  = − p/4 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 6 

mped Free Vibration  ( g  > 0,  F (t ) = 0) 

en damping is  present (as it realistically always  is) the motion equation 

he unforced mass-spring system  becomes 

m u ² +  g  u¢ + k  u = 0. 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 7/33

ere m ,  g , k  are all  positive constants.  The characteristic equation is m

+ k  = 0.  Its solution(s) will  be either  negative real  numbers, or  complex 

mbers with negative real  parts.  The displacement  u(t )  behaves differently 

ending on the size of   g  relative to m  and k .  There are three  possible 

ses of   behaviors  based on the  possible types of  root(s) of  the 

racteristic  polynomial. 

e I.  Two distinct (negative) real roots en  g 

mk , there are two distinct real roots,  both are negative.  The 

lacement is in the form 

+

mass-spring system with such type displacement function is called 

r d am ped .  Note that the system does not oscillate; it has no  periodic 

mponents in the solution.  In fact, depending on the initial conditions the 

s of  an overdamped mass-spring system might or  might not cross over  

quilibrium  position.  But it could cross the equilibrium  position at most 

e. 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 8/33

8  Zachary S Tseng   B-3 - 7 

ures:  Displacement of  an Overdamped system 

Graph of   u(t ) = e

e

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 9/33

Graph of   u(t ) = − e

2e

8  Zachary S Tseng   B-3 - 8 

e II.  One repeated (negative) real root en  g 

mk , there is one (repeated) real root.  It is negative:

displacement 

is 

in 

the 

form 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 10/33

) = C   e

ystem exhibits this  behavior  is called criticall  y d am ped .  That is, the 

mping coefficient  g  is  just lar ge enough to  prevent oscillation.  As can  be 

n, this system does not oscillate, either.  Just like the overdamped case, 

mass could cross its equilibrium  position at most one time. 

ment  :  The value  g 

mk  ® 

alled critical  d am pin g .  It 

he threshold level  below which damping would  be  too small to  prevent 

system from oscillating. 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 9 

ures:  Displacement of  a Critically Damped system 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 11/33

Graph of   u(t ) = e

e2

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 12/33

Graph of   u(t ) = e

e2

8  Zachary S Tseng   B-3 - 10 

e III.  Two complex conjugate roots en  g 

mk , there are two complex conjugate roots, where thei r  common 

part, l , is always negative.  The displacement is in the form 

) = C 

s m

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 13/33

m

ystem exhibits this  behavior  is called und er d am ped .  The name means 

the damping is small compares to m  and k , and as a result vibrations will 

ur.  The system oscillates (note the sinusoidal components in the 

ution).  The displacement function can  be rewritten as 

u(t ) =  R e

(m

d ). 

formulas for   R and d  are the same as in the  previous (undamped free 

ation) section.  The displacement function is oscillating,  but the 

plitude of  oscillation,  R e

decaying exponentially.  For  all  particular  

utions (except the zero solution that corresponds to the initial conditions 

0, u¢( t 

0), the mass crosses its equilibrium  position infinitely 

n. 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 14/33

Damped oscillation:  u(t ) = e

(2t ) 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 11 

displacement of  an underdamped mass-spring system is a quasi-period ic 

ction 

(that 

is, 

it 

show

 periodic-like 

motion, 

 but 

it 

is 

not 

truly 

 periodic 

ause its amplitude is ever  decreasing so it does not exactly repeat itself). 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 15/33

oscillating at quasi-frequency, which is m radians  per  second.  (It’s  just 

frequency of  the sinusoidal components of  the displacement.)  The  peak-

eak  time of  the oscillation is the quasi-period : 

conds). 

ddition to cause the amplitude to gradually decay to zero, damping has 

ther, more subtle, effect on the oscillating motion:  It immediately 

reases the quasi-frequency and, therefore, lengthens the quasi-period 

mpare to the natural frequency and natural  period of  an undamped 

em).  The lar ger  the damping constant  g , the smaller  quasi-frequency and 

longer  the quasi-period  become.  Eventually, at the critical damping 

shold, when 

e quasi-frequency vanishes and the 

lacement  becomes aperiodic (becoming instead a critically damped 

em). 

e that in all 3 cases of  damped free vibration, the displacement function 

ds to zero as t  ®  ¥  .  This  behavior  makes  perfect sense from a 

servation of  ener gy  point-of-view:  while the sy stem is in motion, the 

mping wastes away whatever  ener gy the system has  started out with,  but 

e is no forcing function to supply the system with additional ener gy. 

nsequently, eventually the motion comes to a halt. 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 12 

m pl e:  A mass of  1 k g stretches a spring 0.1 m.  The system has a 

mping constant of   g  = 14.  At t  = 0, the mass is  pulled down 2 m and 

ased with an upward velocity of  3.5 m/s.  Find  the displacement function. 

at are the system’s quasi-frequency and quasi-period? 

m  = 1, g = 14,  L = 0.1; 

= 9.8 = kL = 0.1 k   ®  98 = k . 

The motion equation is  u² + 14 u¢ + 98 u = 0, and 

the initial conditions are u(0) = 2, u¢(0) = −3.5. 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 16/33

The roots of  characteristic  polynomial are r  = −7 ± 7i: 

u(t ) = C 

7

7

Therefore, the quasi-frequency is 7 (rad/sec) and the quasi-period is 

conds). 

Apply the initial condition and we get C 

, and C 

/2.  Hence 

u(t ) = 2e

7

1.5e

7

8  Zachary S Tseng   B-3 - 13 

mmary: the Effects of  Damping on an Unforced Mass-Spring System nsider  a mass-spring system under going free vibra tion (i.e. without a 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 17/33

ing function) described  by the equation: 

m u ² +  g  u¢ + k  u = 0,  m  > 0,  k  > 0. 

behavior  of  the system is determined  by the magnitude of  the damping 

fficient  g  relative to m  and k . 

Undamped system (when  g  = 0) 

Displacement: u(t ) = C 

 w

w

illation:  Yes,  periodic (at natural frequency

 Notes:  Steady oscillation with constant amplitude

+

Underdamped system (when 0 <  g 

mk ) 

placement:  u(t ) = C 

m

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 18/33

m

illation:  Yes, quasi-periodic (at quasi-frequency m) 

 Notes:  Exponentially-decaying oscillation 

Critically Damped system (when  g 

mk ) 

placement:  u(t ) = C 

illation:  No 

Overdamped system (when  g 

mk ) 

placement: 

+

illation: 

 No 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 14 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 19/33

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 20/33

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 21/33

ritically Damped Oscillation placement:  u(t )= C

C

s crosses equilibrium at most once. 

Mechanical Vibrations,  F (t ) = 0 

nderdamped System oscillates with amplitude decreasing 

exponentially overtime, 

Displacement:  u(t )= C

mt  + C

t , 

Oscillation quasi periodic:  T /m 

verdamped No Oscillation, 

Displacement: u(t )= C

Mass crosses equilibrium at most once. 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 22/33

damped Displacement: u(t )= C

w

C

w

al frequency: w

,  Steady oscillation with constant amplitude 

4mk  0= 4mk 

< 4mk  

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 23/33

8  Zachary S Tseng   B-3 - 15 

rced Vibrations damped Forced Vibration  ( g  = 0,  F (t ) ¹ 0) 

w let us introduce a nonzero forcing function into the mass-spring system. 

keep things simple, let damping coefficient  g  = 0.  The motion equation is 

² + k  u =  F (t ). 

articular, we are most interested in the cases where  F (t ) is a  periodic 

ction.  Without the losses of  generality, let us assume that the forcing 

ction is some multiple of  cosine: 

m  u² + k  u =  F 

 wt . 

s is a nonhomogeneous linear  equation with the complementary solution 

u

= C 

 w

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 24/33

w

form of  the  particular  solution that the displacement function will have 

ends on the value of  the forcing function’s frequency, w. 

e I.  When w ¹ w

¹ w

n the form of  the  particular  solution corresponding to the 

ing function is 

Y  =  A cos wt  +  B sin wt . 

ving for   A and  B using the method of  Undetermined Coefficients, we  find 

ω

refore, the general solution of  the displacement function is 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 25/33

ω

cos

8  Zachary S Tseng   B-3 - 16 

interesting instance of  such a forced vibration occurs when the initial 

ditions are u(0) = 0, and u¢(0) = 0.  Applying the initial conditions to the 

eral solution and we get 

and  C 

s, 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 26/33

)

ω

in, a clearer   picture of  the  behavior  of  this solution can  be obtained  by 

riting it, using the identity: 

sin( A) sin( B) = [cos( A −  B) − cos( A +  B)] / 2. 

displacement  becomes 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 27/33

behavior  exhibited  by this function is that the higher-frequency, of  

w) / 2, sine curve sees its amplitude of  oscillation modified  by its 

er-frequency, of  (w

w) / 2, counterpart. 

s type of   behavior, where an oscillating motion’s own amplitude shows 

odic variation, is called a beat . 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 28/33

8  Zachary S Tseng   B-3 - 17 

example of   beat: 

Graph of   u(t ) = 5 sin(1.8t ) sin(4.8t ) 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 18 

e II.  When w = w

he  periodic forcing function has the same frequency as the natural 

uency, that is w = w

en the form of  the  particular  solution  becomes 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 29/33

Y  =  A t  cos w

B t  sin w

the method of  Undetermined Coefficients we can find that 

 A = 0,  and 

ω

general solution is, therefore, 

ω

+

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 30/33

first two terms in the solution, as seen  previously, could  be combined to 

ome a cosine term u(t ) =  R cos (w

d ), of  steady oscillation.  The third 

m, however, is a sinusoidal wave whose amplitude  increases 

portionally with elapsed time.  This  phenomenon is called resonance. 

Resonance: graph of   u(t ) = t  sin(t ) 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 19 

hnically, true resonance only occurs if  all of  the conditions  below are 

sfied: 

There is no damping:   g  = 0, 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 31/33

A  periodic forcing function is  present, and 

The frequency of  the forcing function exactly matches the 

ural frequency of  the mass-spring system. 

wever, similar   behaviors, of  unexpectedly lar ge amplitude of  oscillation 

to a fairly low-strength forcing function occur  when damping is  present 

is very small, and/or  when the frequency of  forcing function is very e to the natural frequency of  the system. 

8  Zachary S Tseng   B-3 - 20 

rcises  B-3.1: 

4  Solve the following initial value  problems, and determine the natural 

uency, amplitude and  phase angle of  each solution. 

u² +  u = 0,  u(0) = 5,  u¢(0) = −5. 

u² + 25u = 0,  u(0) = −2,  u¢(0) =  3

u² + 100u = 0,  u(0) = 3,  u¢(0) = 0. 

4u² +  u = 0,  u(0) = −5,  u¢(0) = −5. 

10  Solve the following initial value  problems.  For  each  problem, 

rmine whether  the system is under-, over-, or  critically damped. 

u² + 6u¢ + 9u = 0,  u(0) = 1,  u¢(0) = 1. 

u² + 4u¢ + 3u = 0,  u(0) = 0,  u¢(0) = −4. 

u² + 6u¢ + 10u = 0,  u(0) = −2,  u¢(0) = 9. 

u² + 2u¢ + 17u = 0,  u(0) = 6,  u¢(0) = −2. 

4u² + 9u¢ + 2u = 0,  u(0) = 3,  u¢(0) = 1. 

3u² + 24u¢ + 48u = 0,  u(0) = −5,  u¢(0) = 6. 

Consider  a mass-spring system described  by the equation 

+ 3u¢ + k  u = 0.  Give the value(s) of  k  for  which the system is under-, 

r-, and critically damped. 

Consider  

mass-spring 

system 

described 

 by 

the 

equation 

+  g 

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 32/33

36u = 0.  Give the value(s) of   g  for  which the system is under-, 

r-, and critically damped. 

One of  the equations  below describes a mass-spring system under going 

nance.  Identify the equation, and find its general solution. 

u² + 9u = 2cos 9t   (ii.)  u² + 4u¢ + 4u = 3sin 2t  

)  4u² + 16u = 7cos 2t  

Zachary 

Tseng 

 B-3 

21 

Find the value(s) of  k , such that the mass-spring system described  by 

h of  the equations  below is under going resonance . 

8u² +  k  u = 5sin 6t   (b)  3u² +  k  u = − p cos t  

wers  B-3.1: 

u = 5cos t  − 5sin t ,  w

,   R = 2

,  d  = − p / 4 

u = −2cos 5t  +

5t ,  w

,   R = 4,  d  = 2 p / 3 

u = 3cos 10t ,  w

0,   R = 3,  d  = 0 

u = −5cos t  / 2 − 10sin t  / 2,  w

/ 2,   R = 

d  =  p + tan

u = e

t  e

itically damped 

u = 2e

e

7/28/2019 137330987 Mechanical Vibrations (1)

http://slidepdf.com/reader/full/137330987-mechanical-vibrations-1 33/33

verdamped 

u = −2e

t  + 3e

,  underdamped 

u = 6e

4t  + e

4t , 

underdamped 

u = 4e

verdamped 

u = −5e

4t  e

itically damped 

Overdamped if  0 < k  < 9 / 8, critically damped if  k  = 9 / 8, underdamped 

> 9 / 8. 

Underdamped if  0 <  g  < 24, critically damped if   g  = 24, overdamped if  

24.  When  g  = 0, the system is undamped (rather  than underdamped). 

(iii), 

2

k k