Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

Hasonló dokumentumok
1. Egyensúlyi pont, stabilitás

Mechanika I-II. Példatár

Legfontosabb bizonyítandó tételek

Dr. Tóth László, Kombinatorika (PTE TTK, 2007)

3. előadás Reaktorfizika szakmérnököknek TARTALOMJEGYZÉK. Az a bomlás:

Függvények hatványsorba fejtése, Maclaurin-sor, konvergenciatartomány

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Tizenegyedik gyakorlat: Parciális dierenciálegyenletek Dierenciálegyenletek, Földtudomány és Környezettan BSc

Speciális függvénysorok: Taylor-sorok

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

3. 1 dimenziós mozgások, fázistér

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

2.4. Coulomb-súrlódással (száraz súrlódással) csillapított szabad rezgések

A feladatok megoldása

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

I. A PRIMITÍV FÜGGVÉNY ÉS A HATÁROZATLAN INTEGRÁL

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

Kiegészítő részelőadás 2. Algebrai és transzcendens számok, nevezetes konstansok

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Mechanizmusok vegyes dinamikájának elemzése

1. Fourier-sorok. a 0 = 1. Ennek a fejezetnek a célja a 2π szerint periodikus. 1. Ha k l pozitív egészek, akkor. (a) cos kx cos lxdx = 1 2 +

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

A 2015/2016. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

Rezgések és hullámok

6. A Lagrange-formalizmus

Egy mozgástani feladat

1. ábra. 24B-19 feladat

Rezgőmozgás, lengőmozgás

k n k, k n 2 C n k k=[ n+1 2 ] 1.1. ábra. Pascal háromszög

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

3. Fékezett ingamozgás

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Már megint az esővíz lefolyásáról

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

A CSOPORT 4 PONTOS: 1. A

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

A NEM VÁRT RITMUS. Néda Zoltán 1, Káptalan Erna 2. Plenáris előadás.

1. Házi feladatsor Varga Bonbien, VABPACT.ELTE

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

A gyors Fourier-transzformáció (FFT)

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Kalkulus I. NÉV: Határozzuk meg a következő határértékeket: 8pt

8n 5 n, Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás,

A TételWiki wikiből. Harmonikus oszcillátor. Csillapított és gerjesztett harmonikus oszcillátor

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

2014/2015. tavaszi félév

Abszolútértékes egyenlôtlenségek

Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás, x x 2 dx = arctg x + C = arcctgx + C,

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

n 2 2n), (ii) lim Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás, (ii) 3 t 2 2t dt,

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Az elméleti mechanika alapjai

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Ezt kell tudni a 2. ZH-n

A JÓLÉTI ÁLLAM KÖZGAZDASÁGTANA

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) FELADATOK Taylor- (Maclaurin-) sorok, hibabecslés

Égi mechanika tesztkérdések. A hallgatók javaslatai 2008

6. HMÉRSÉKLETMÉRÉS. A mérés célja: ismerkedés a villamos elven mköd kontakthmérkkel; exponenciális folyamat idállandójának meghatározása.

1. MECHANIKA Periodikus mozgások: körmozgás, rezgések, lengések

Függvények vizsgálata

Összefoglaló kérdések fizikából I. Mechanika

Mechanika. Kinematika

Kiegészítő részelőadás 2. Algebrai és transzcendens számok, nevezetes konstansok

XL. Felvidéki Magyar Matematikaverseny Oláh György Emlékverseny Galánta 2016 Megoldások 1. évfolyam. + x = x x 12

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

BAYES-ANALÍZIS A KOCKÁZATELEMZÉSBEN, DISZKRÉT VALÓSZÍNŰSÉG ELOSZLÁSOK ALKALMAZÁSA 3

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1.(a) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Feladatok megoldásokkal az első gyakorlathoz (differencia- és differenciálhányados fogalma, geometriai és fizikai jelentése) (x 1)(x + 1) x 1

Matematika III előadás

123 Legyen mármost adva egy (1) lefedő rendszer, melyben ni *- 6, 1 ~ i :s és legyen p i az n 2hez tartozó prímszámo valamelyie. Eor ezen pi- (2) érte

A vegetatív működés modelljei

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

Rugalmas inga Bevezetés T=2π CNC 100 khz 10 μs A mérési adatok értelmezése T[ms] m[g] hibás mérések

4. fejezet. Egyváltozós valós függvények deriválása Differenciálás a definícióval

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

AZ IONKONCENTRÁCIÓ POTENCIOMETRIÁS MEGHATÁROZÁSA IONSZELEKTÍV ELEKTRÓDOK ALKALMAZÁSÁVAL

Rezgőmozgások. Horváth András SZE, Fizika és Kémia Tsz szeptember 29.

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Holtsáv és kotyogás kompenzálása mechanikai irányítási rendszerekben

Az éjszakai rovarok repüléséről

Dr. Tóth László, Kombinatorika (PTE TTK, 2007) nem vagyunk tekintettel a kiválasztott elemek sorrendjére. Mennyi a lehetőségek száma?

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

Második zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

1. feladatsor, megoldások. y y = 0. y h = C e x

Diagnosztika Rezgéstani alapok. A szinusz függvény. 3π 2

Átírás:

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 4. Kis rezgése 4.. gyensúlyi pont, stabilitás gyensúlyi pontna az olyan r pontoat nevezzü valamely oordináta-rendszerben, ahol a vizsgált tömegpont gyorsulása 0. Ha a tömegpont egy ilyen pontban tartózodi, és nincs sebessége, aor a továbbiaban is ott fog maradni. dimenziós mozgáso esetében az -gal jelölt egyensúlyi ponto definíciója így írható: mẍ 0, () amiből a mozgásegyenlet szerint a övetező feltétel adódi: dv() d = 0. (2) z a éplet más megfogalmazásban azt jelenti, hogy egyensúlyi pontban a potenciálna szélsőértée ell legyen (vagy infleiós pontja). Az. ábrán ét, dinamiai szempontból alapvetően ülönböző egyensúlyi pont látható. Teintsü először az 2 egyensúlyi pontot, és tegyü fel, hogy benne tartózodi a tömegpont. V() 2. ábra. gy V() potenciálfüggvény ét egyensúlyi ponttal. Az egyensúlyi pont stabil, az 2 instabil. Mi történi aor, ha a tömegpontot is mértében elmozdítju? or a potenciál deriváltja, azaz a tömegpontra ható erő nem lesz 0. Ha a tömegpontot balra mozdítottu i, aor F() dv/d < 0, azaz az erő negatív irányban hat, ami a tömegpontot az 2 egyensúlyi ponttól távolítja. Az erő hasonló módon távolít az 2 jobb oldalán is. Az ilyen típusú egyensúlyi pontot instabilna nevezzü. Az instabilitás matematiai feltétele, hogy a potenciálfüggvény másodi deriváltja az egyensúlyi pontban negatív legyen: d 2 < 0. (3) Az ábra egyensúlyi pontja viszont másmilyen: stabil. Stabil egyensúlyi pontot aor apun, ha d 2 > 0. (4)

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 2 Ilyenor létezi az egyensúlyi pontna olyan örnyezete, amiben a tömegpontra ható erő visszatérítő irányú. z lehetővé teszi, hogy a tömegpont ebben a örnyezetben rezgőmozgást végezzen, amit a 2. ábra szemléltet. V() ẋ 2. ábra. Felső grafion: egy V() potenciálfüggvény stabil egyensúlyi ponttal. A jelölt mechaniai energiával a tömegpont az egyensúlyi pont örül rezeg, ahogyan ez a vonatozó fázistérbeli trajetóriából is leolvasható (alsó grafion). 4.2. Stabil egyensúlyi pont örüli is rezgése Láttu tehát, hogy stabil egyensúlyi pont valamely örnyezetében oszcilláció (rezgőmozgás) mehet végbe. Ha enne icsi az amplitúdója, vagyis a tömegpont a mozgás során nem távolodi el túlságosan az egyensúlyi ponttól, aor a V() potenciált jól özelíthetjü anna vezető rendig teintett Taylor-sorával: V() V( )+ dv() d = V( )+ 2 d 2 ( )+ 2 d 2 ( ) 2 ( ) 2. (5) Az -ben lineáris tag együtthatója, azaz a potenciál első deriváltja egyensúlyi pontban (2) szerint 0. A onstans V( ) tagna nincs jelentősége, az nem jeleni meg a mozgásegyenletben. Így önnyen észrevehető, hogy az (5) ifejezés éppen egy -ban elhelyezett harmonius oszcillátor potenciálja (lásd Függelé.0, (8) éplet). A rugóállandó megfeleltethető a potenciál másodi

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 3 deriváltjána az egyensúlyi pontban: = d2 V() d 2. (6) Azt találtu tehát, hogy egy tömegpontna valamely tipius stabil egyensúlyi pont örül végzett is amplitúdójú rezgése özelítőleg harmonius rezgőmozgás, amelyne a örfrevenciája a Függelé.0 (8) éplete szerint ω = m = m d 2 (7). Az egyetlen ivétel, atipius eset, amior ez nem így van, a /d 2 = 0 helyzet. Az (5) ifejezésben hallgatólagosan feltételeztü, hogy a másodi derivált nem tűni el az egyensúlyi pontban. Ha eltűni, aor a sorfejtésben tovább ell mennün, és az így adódó rezgőmozgás nem lesz harmonius. A tipius esetről mondottaat grafiusan a 3. ábrán övethetjü. A stabil egyensúlyi pontot a örnyezetében ialauló fázistérbeli strutúra miatt elliptius pontna is szoás nevezni. V() ẋ 3. ábra. Felső grafion: a V() potenciálfüggvényt (feete vonal) az stabil egyensúlyi pont örül parabolával özelíthetjü (világosé vonal). Ha az mechaniai energia nem túl nagy (övetezéséppen a rezgés amplitúdója sem), aor a tömegpont trajetóriája a fázistérben (piros vonal, alsó grafion) jól özelíthető ellipszissel (világosé vonal).

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 4 Példa Teintsü a övetező, az [0,λ) intervallumon értelmezett potenciált: ( ) 2π V() = V 0 sin λ, ahol V 0,λ > 0. Adju meg az egyensúlyi ponto helyét, és vizsgálju meg a stabilitásuat! Határozzu meg a stabil egyensúlyi ponto örül ialauló is rezgése örfevenciáját! A potenciálfüggvény alaja a övetező: V() V 0 λ/4 λ/2 3λ/4 λ Az egyensúlyi ponto helyéne a meghatározásához i ell számítani a potenciálfüggvény deriváltját: ( ) dv() 2π 2π = V 0 d λ cos λ. Innen az egyensúlyi ponto: dv() d = 0, ( ) 2π 2π V 0 λ cos λ = 0. nne ét megoldása van: = λ π 2π 2 = λ 4, 2 = λ 3π 2π 2 = 3λ 4, összhangban az ábrával. A stabilitás vizsgálatához szüségün van a potenciál másodi deriváltjára: ( ) d 2 2 ( ) V() 2π 2π = V d 2 0 sin λ λ.

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 5 Az egyensúlyi pontoban: d 2 d 2 ( ) 2 ( 2π 2π = V 0 sin λ λ ( ) 2 ( 2π 2π = V 0 sin λ λ 2 ) ( ) 2 λ 2π = V 0 < 0, 4 λ ) 3λ 4 = V 0 ( 2π λ ) 2 > 0. Tehát instabil, 2 stabil, ahogyan az ábra alapján várhattu is. 2 örül ialaulhatna is rezgése, eze örfrevenciája: ( ) d ω = 2 V() 2 2π m d 2 = m V 0 = 2π V0 λ λ m. 2 Függelé: A harmonius oszcillátor örfrevenciája Az dimenziós harmonius oszcillátor (az előző összefoglaló idolgozott példája) iemeledő jelentőségű fiziai rendszer. Lényeges tulajdonsága, hogy a periódusideje (és így a örfrevenciája) egzatul iszámítható, a III. rész (4) épleténe a segítségével. A teljesség edvéért ezt a számítást az alábbiaban részletezem, de az anyag többi részéne a megértéséhez elegendő a potenciálalana és a levezetés eredményéne az ismerete. A harmonius oszcillátor potenciálfüggvénye általánosan a övetező alaú: V() = V 0 + 2 ( a)2, (8) ahol > 0. A V 0 onstans potenciáltag és a parabola minimumpontjána az a helye nem játszi lényeges szerepet, a harmonius oszcillátor potenciáljából eze mindig eltüntethető, ha megfelelően választju meg a oordináta-rendszerün origóját és a potenciál nullszintjét. A továbbiaban ezért a övetező alaot fogju használni: V() = 2 2. (9) A periódusidő iszámításána érdeében először fel ell idéznün, hogy adott > 0 mechaniai energia mellett hol vanna a (9) potenciál fordulópontjai: fp,2 =. (0)

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 6 A periódusidőne a fentebb hivatozott éplete szerint: T p = 2m fp2 fp V( ) d = 2m 2 2 d = 2m d. () 2 Éljün a övetező változócserével: így u := arcsin ( ), (2) = sinu, (3) d = cosudu. (4) A határo így alaulna: ( ) ( ) u = = arcsin = arcsin( ) = π 2, (5) ( ) ( ) u = = arcsin = arcsin() = π 2. (6)

Drótos G.: Fejezete az elméleti mechaniából 4. rész 7 Behelyettesítve mindezeet ()-be: T p = = π 2 2m 2m m = 2 π 2 sin 2 u cosudu π 2 du cosu cosudu m = 2 [u]π 2 m ( π = 2 2 + π 2) m = 2π. (7) ljutottun tehát a harmonius oszcillátor periódusidejéne a jól ismert épletéhez. Figyelemreméltó, hogy a periódusidő nem függ az mechaniai energiától, és így, a (0) összefüggés értelmében, a rezgés amplitúdójától sem. A örfevencia innen már egyszerűen adódi: ω 2π T p = m. (8) http://theorphys.elte.hu/~drotos/