HOGYAN IS MOZOG EGY TÖMEGES RUGÓ? I.

Hasonló dokumentumok
2. MECHANIKA-VÉGESELEM MÓDSZER ELŐADÁS (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) II. előadás

Harmonikus rezgőmozgás

2. Közelítő megoldások, energiaelvek:

A befogott tartóvég erőtani vizsgálatához III. rész

Castigliano- és Betti-tételek összefoglalása, kidolgozott példa

Kábel-membrán szerkezetek

1. Feladatok rugalmas és rugalmatlan ütközések tárgyköréből

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

2. Közelítő megoldások, energiaelvek:

Két példa lineárisan változó keresztmetszetű rúd húzása

3. MOZGÁS GRAVITÁCIÓS ERŐTÉRBEN, KEPLER-TÖRVÉNYEK

SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

REZGÉSTAN GYAKORLAT Kidolgozta: Dr. Nagy Zoltán egyetemi adjunktus

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK LENGÉSTANBÓL: A rugóállandó a rugómerevség reciproka. (Egyik végén befogott tartóra: , a rugómerevség mértékegysége:

Nagy Örs, BBTE, MIK Matematika-informatika szak, IV. év

Oktatási Hivatal. A 2012/2013. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő fordulójának megoldása. I. kategória

Adóreformok hatása a magyar gazdaságra egy általános egyensúlyi modellben 1

I n n o v a t i v e M e t r o l o g y AXIOMTOO. Fejlődés a KMG technológiában. Axiom too manuális és CNC koordináta mérőgépek bemutatása

Kérelmezök vállalják a helyiségrész teljes felújítását, amennyiben azt kedvezményes 4 OOO Ft/m2/év bérleti díj megállapításával vehetik igénybe.

SZERKEZETEK INDIFFERENS EGYENSÚLYI ÁLLAPOTBAN

A karpántokról, a karpántos szerkezetekről III. rész

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

= M T. M max. q T T =

Az egyszeres függesztőmű erőjátékáról

Hőtágulás (Vázlat) 1. Szilárd halmazállapotú anyagok hőtágulása a) Lineáris hőtágulás b) Térfogati hőtágulás c) Felületi hőtágulás

Mechanika I-II. Példatár

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

1. Egydimenziós, rugalmas, peremérték feladat:

REZGÉSTAN GYAKORLAT Kidolgozta: Dr. Nagy Zoltán egyetemi adjunktus. 17. feladat: Kéttámaszú tartó (rúd) hajlító rezgései (kontinuum modell)

Összefüggések a marótárcsás kotrógépek elméleti és tényleges

Elektromosság. Alapvető jelenségek és törvények. a.) Coulomb törvény. Sztatikus elektromosság

Gerendák lehajlása: hibás-e a szilárdságtanon tanult összefüggés? Tudományos Diákköri Konferencia. Készítette: Miklós Zita Trombitás Dóra

Salgótarján Megyei Jogú Város Polgárm estere. Javaslat stratégiai együttműködési megállapodás megkötésére

Optikai spektroszkópiai módszerek

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

Anyagmozgatás Gyakorlati segédlet. Gyakorlatvezetı: Dr. Németh Gábor Ph.D. egyetemi adjunktus. Sopron, 2009

BÉKÉSCSABA MEGYE1 JOGÚ VÁROS. Békéscsaba, Szent István tér 7.

+ - kondenzátor. Elektromos áram

Kidolgozott mintapéldák szilárdságtanból

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

1.9. Feladatok megoldásai

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

ELMIB ZRT. FÖLDGÁZKERESKEDELMIÜZLETSZABÁLYZATA. l l I I BUDAPEST, SZEPTEMBER 1.

J ~15-. számú előterjesztés

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Mechanikai tulajdonságok 1. Tesztelés. Tankönyv fejezetei: HF: 4. fej.: 1, 2, 4-6, 9, 11,

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

1. Mérési példafeladat A matematikai inga vizsgálata

A lecke célja: A tananyag felhasználója megismerje a forgó tömegek kiegyensúlyozásának elméleti alapjait.

~IIami ~ámbrtlő$ék JELENTÉS. a távfűtés és melegvízszolgáltatás támogatási és gazdálkodási rendszerének vizsgálatáról május hó 55.

TRANZISZTOROS RÁDIÓT

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

perforált lemezek gyártás geometria

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

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

7. BINER ELEGYEK GŐZ-FOLYADÉK EGYENSÚLYA; SZAKASZOS REKTIFI KÁLÁS JELLEMZÉSE

3. MECHANIKA-SZILÁRDSÁGTAN GYAKORLAT (kidolgozta: dr. Nagy Zoltán egy. adjunktus; Bojtár Gergely egy. ts.; Tarnai Gábor mérnöktanár) y P

Matematikai segédlet

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Bepattanó kötés kisfeladat

DAN U ACÉLSZERKEZETEK CSAPOS KÖTÉSEINEK VIZSGÁLATA

Fizika Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny Harmadik fordulója a harmadik kategória részére 2006.

Makromolekulák fizikája

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Rezgések és hullámok

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

61o. l. Tartalmi összefoglaló. Budapest Főváros X. kerület. . számú előterjesztés

GEO-FIFIKA. Földtudományi ismeretterjesztõ füzet. 8. A Föld mélye. A kéregtõl a földmagig

Az úttengely helyszínrajzi tervezése során kialakuló egyenesekből, átmeneti ívekből és körívekből álló geometriai vonal pontjait számszerűen pontosan

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

rendelési kód típus leszorítás vágási magasság vágási hossz vágási kapacitás CM3206 normál 1,0 mm 320 mm

2004. évi XVIII. törvény. a szőlőtermesztésről és a borgazdálkodásról. I. Fejezet BEVEZET Ő RENDELKEZÉSEK. A törvény tárgya. Fogalommeghatározások

Gazdaságos kapcsolat: kondenzációs technika és napenergia-hasznosítás

Hőterjedési formák. Dr. Seres István. Fizika I. Hőterjedés. Seres István 1

A nagy adrenalin játék Marketingkommunikáció

Három erő egyensúlya kéttámaszú tartó

MILTON ROY VEGYSZERADAGOLÓ SZIVATTYÚK

VASBETON LEMEZEK KÉPLÉKENY TEHERBÍRÁSA

Parabola - közelítés. A megoszló terhelés intenzitásának felvételéről. 1. ábra

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

A HŐMÉRSÉKLET MÉRÉSE

Mágneses jelenségek. 1. A mágneses tér fogalma, jellemzői

TESZTKÖNYV a hajóvezetõk részére. 2., javított kiadás

(/ri. számú előterjesztés

Rezgőmozgás, lengőmozgás

Átírás:

bi eredmények aapján ezze együtt is egfejebb néhány ezred naptömeget kapnánk a por mennyiségére, ami továbbra is jóva kisebb az eméeti tanumányokban prognosztizát tömegekné Tanumányunk összességében azt sugaja, hogy a szupernóva-robbanások bár eméetieg a egmegaapozottabb jeötjei a kozmikus portermeésnek, a megfigyeések aapján nem a várt mértékben járunak hozzá az Univerzum portartamának gyarapításához Az eôttünk áó években mind a szupernóvák vizsgáatában, mind a precíziós infravörös csiagászat terüetén ugrásszerû fejôdés bekövetkezését várjuk, ami segíthet végeg edönteni a kérdést: vajon tényeg nem keetkezik sok por a szupernóvák környezetében, vagy csak eddig nem votunk rá képesek, hogy mindet megtaájuk Irodaom Vinkó J, Kiss L L, Sárneczky K, Fûrész G, Csák B, Szatmáry K: Szupernóvák eteor Csiagászati Évkönyv, 8 http://astrou-szegedhu/ismeret/szuperno/szupernohtm Vinkó J: Távoságmérés szupernóvákka: tények és taányok Fizikai Szeme 56/7 (6) http://wwwkfkihu/fszeme/archivum/fsz67/vinko67htm Szaai T, Vinkó J, Baog Z, Gáspár A, Bock,, Kiss L L A&A () közésre beküdve 4 Vinkó J és mtsai, NRAS 69 (6) 78 5 Vinkó J és mtsai, ApJ, 695 (9) 69 6 Kotak, R és mtsai, ApJ 68 (5) L 7 http://irsaipaccatechedu/appications/spitzer/sha/ 8 Lucy, L B, Danziger, I J, Gouiffes, C, Bouchet, P, in Structure and Dynamics of the Interstear edium (ed G Tenorio- Tage et a) Springer, Berin, 989, 64 9 eike, W P S és mtsai, ApJ 665 (7) 68 athis, J S, Rump, W, Nordsieck, K H, ApJ 7 (977) 45 http://mocassinword-traveerorg/ Chugai, N N, Chevaier, R A, Utrobin, V P, ApJ 66 (7) 6 HOGYAN IS OZOG EGY TÖEGES RUGÓ? I Woynarovich Ferenc TA SZFKI A vianyvasutat gyerekjátéknak taáták ki, mégis sokan fenôtt fejje is szívesen játszanak vee Vaahogy így vagyok én a tömeges rugó probémájáva, ami egy tipikus tankönyvpéda ehetne, amennyiben a megodásához szükséges meggondoások és módszerek részei a standard mechanika- és anaíziskurzusoknak, mégis fenôtt fizikusként is örömme fogakozom a probémáva Eôször 976-ban játszottam vee: kidogoztam magamnak a normá módusokra aapozott megodást Ez annyira megtetszett, hogy Ortvay-pédát is gyártottam hozzá (amire egyébként nem jött tejes megodás) Ezze a doog e is ett vona intézve, ha tán két éve egy KöaL-péda kapcsán újra eô nem kerü Többekke beszégettünk róa, aminek eredménye jórészt Groma István (ELTE, TTK, Anyagfizikai Tanszék) ötete aapján egy újabb, a mozgó huámfrontokat eíró megodás ett ondanom sem ke, ehhez is szüetett egy Ortvay-péda (9-ben, amire sajnos megint nem érkezett tejes megodás) A jeen kézirat összeáítása közben tudtam meg, hogy a történet itt nem át meg, a feadat többnek bizonyut mint egy nívós rejtvény: egyes eemei beépütek a fizikusok kontinuummechanika kurzusának anyagába Nem tudom, hogy az érintett hagatók mennyire szeretik, de reméem, megátják szépségét, mint ahogy azok a koégák is, akik eovassák ezt a munkát Bevezetés Az évtizedek óta tartó tananyagcsökkentésnek szerencsére (még) nem esett ádozatu a harmonikus rezgômozgás oktatása E mozgás iskoapédája az egyik végéné rögzített, ehanyagoható tömegû rugó áta mozgatott, véges tömegû test rezgése Evárás, hogy a tanuók tudják, ha a test tömege, a rugóáandó pedig D, akkor a rezgésidô: T π D A jobb diákok azt is tudják, hogy ha a rugónak is van mondjuk m tömege (ami azért jóva kisebb mint ), azt úgy ehet figyeembe venni, hogy a rendszer effektív tömegének eff +m/-at veszünk A magyarázat nagyon szeméetes: fetéteezve, hogy a rugó megnyúása a mozgás során végig egyenetes, a rugó mentén a sebesség ineárisan nô, így ha az tömeg sebessége v, a rugó kinetikus energiája mv /6, ami oyan, mintha heyén +m/ tömeg mozogna Ugyanakkor az is nyivánvaó, hogy meggondoásunk aapfetevése, azaz a rugó egyenetes megnyúása csak közeítés ehet: az egyenetesen megnyújtott vagy összenyomott rugó bármey darabjára mindkét irányban ugyanakkora erô hat, így az, mive véges tömegû, nem gyorsuhatna Az eentmondás feodása természetesen az, hogy a tömeges rugó megnyúása a mozgás során nem egyenetes, és a rendszer mozgása átaában anná összetettebb, mint hogy egy paraméterre (az kitéréséve) jeemezhetô egyen Vaójában a pontos eíráshoz a rugót mint egy egy-dimenziós, végteen sok szabadsági fokú rugamas közeget ke kezenünk Jeen cikk céja ennek bemutatása Látni fogjuk, hogy a rendszer saját rezgései (normá módusai) áóhuámok, ameyek közü a egesô tényeg tág határok között jó közeíthetô a fenti effektív 44 FIZIKAI SZELE /

tömeges eírássa, de ez a közeítés az egész mozgásra csak akkor efogadható, ha a magasabb módusok csak kis súya gerjednek Ez azonban a kezdeti fetéteektô eég erôsen függ, ahogy azt két egyszerû pédán részetesebben is bemutatjuk A rendszer huámegyenette történô eírása ehetôvé teszi a tranziensek vizsgáatát is, nevezetesen annak nyomon követését, hogy egy adott kezdeti fetétebô idôben hogyan fejôdik a mozgás A vizsgát pédák egyikét ebbô a szempontbó is eemezzük A kétfée eírás, azaz a normá módusok megadása, ietve a mozgás idôfejôdésének követése, technikaiag nagymértékben küönbözik egymástó, ez természetes módon kínája az anyag terjedeme áta amúgy is indokot két részre bontását A mozgásegyenetek Tegyük fe, hogy a D direkciós erejû, m tömegû és hosszúságú rugó sima, vízszintes taajon fekszik, egyik vége egy fahoz van rögzítve, és a másik végén évô tömegû test a rugó tengeye irányában a rugóva együtt súródásmentesen mozoghat Paraméterezzük a rugó egyes pontjait a rögzített végtô mérhetô x egyensúyi távoságga, és jeöjük az egyes pontok (ongitudináis) emozduását a t idôpianatban s (x,t)-ve! A rugó egészére jeemzô m és D heyett az ezeknek megfeeô okáis mennyiségeket, azaz az egy dimenzióban értemezett ρ m / sûrûséget, és a Young-moduus egydimenziós anaogonjának megfeeô ε D mennyiséget ke hasznánunk Ez utóbbi jeentése: ha az x pontban a rugó reatív megnyúása s / x, akkor abban a pontban a rugóban F (x ) ε s / x erô hat, azaz a rugónak az x -ben taákozó két darabja ekkora erôve húzza egymást (ásd pédáu Widemann Lászó cikkét ebben a apszámban) Ennek segítségéve már feírható a rugó x és x +Δx közötti szakaszára vonatkozó Newton-egyenet: ami végüis a ábra A (8) egyenet grafikus reprezentációja k tgk F(x Δ x) F(x) ρδx s(x,t), c s(x,t) t huámegyenetet adja s(x,t) x () Ebben a hangsebesség c ε ρ D m () A peremfetéteek az erendezésbô adódnak: egyrészt az x vég rögzített, azaz s(x,t), () másrészt az tömeg mozgása követi Newton II törvényét, tehát ε s(x,t) x x s(,t) t Ez utóbbi az () huámegyenet miatt ekvivaens a egyenette ρ s(x, t) x ormá módusok A megodásokat x s(x, t) x s(x, t) sin(kx) sin(ω t φ) x (4) (5) (6) áóhuámaakban keressük Ez kieégíti az () huámegyenetet, ha ω c k (7) megfee a rögzített végre vonatkozó () peremfetétenek, és az -re vonatkozó (4) Newton-egyenet is tejesü, ha κ tgκ m, aho κ k (8) Ez a két egyenet (7) és (8) határozza meg a sajátfrekvenciákat Ahogy az az ábrán átható, a megodások az imeszbem megfeenek az egyik végén szabad rugamas rúd ongitudináis rezgéseinek (κ n [n +/]π), az határeset pedig oyan, mintha mindkét vég rögzített enne (κ n n π) Nyiván a közbüsô esetek az érdekesek, amikor < ξ n κ n nπ < π/ Ezekben a megodások akár numerikusan, akár m/ szerinti hatványsorok formájában megadhatók Küönösen jó kezehetô az m << eset, amikoris eég ezen hatványsorok esô néhány tagját meghatározni m / p/ p p/ p A ξ n (i ) arctg m/ rekurzió igen jó konvergá nπ ξ n (i) i Ha a ξ n -t m/ szerinti hatványsor aakjában keressük, (8) ξ n szerinti hatványsora segítségéve az együtthatók tagró tagra tetszôeges rendig meghatározhatók WOYNAROVICH FERENC: HOGYAN IS OZOG EGY TÖEGES RUGÓ? I 45

sink x n ábra A rugó (ongitudináis) deformációjának aakja az esô néhány normá módusban m/,6 esetén Ekkor x m /,6 κ m 4 45, (9) mópont van, de a rugó x vége sem nem csomópont, sem nem duzzadási hey ( ábra) Ezért a sin huám ampitúdója nem azonos az mozgásának ampitúdójáva: ha az eôbbi, az utóbbi sinκ n egjegyzendô, hogy miné kisebb az m/ hányados, ezek a módusok anná jobban hasonítanak a mindkét végén rögzített rugón ehetséges áóhuámokra Bár hasznáni fogom ezt a kifejezést, tisztázni ke, hogy az egyes módusok a szokásos érteemben nem feharmonikusai egyik aacsonyabbnak sem, hiszen a frekvenciák hányadosa (eseteges véetenektô etekintve) irracionáis szám Ebbô következôen több módus gerjesztése esetén a rugó mozgása csak közeítôeg ehet periodikus A kezdeti fetéteek iesztése κ n nπ nπ m (n,, ) (nπ) uadik módus A ampitúdóva : s (x,t) A sink x sin(ω t φ ) Itt (), (7) és (9) aapján és ω D m κ D O m/ () () () ormá módusok tejes rendszert akotnak, tehát a rendszer minden mozgása eírható ezek szuperpozíciójaként: s(x,t) n x sin( t φ n ) (7) Az -eket és a φ n -eket úgy ke meghatározni, hogy az s(x,t ) s (x), s(x,t) v t (x) t kezdeti fetéteek tejesüjenek, azaz (8) tehát sink x x sinκ O, x s (x,t) A sin(ω t φ), aho A A sinκ () (4) Ez vaóban oyan, mint egy +m/ tömeg A ampitúdójú rezgése egy D direkciós erejû ideáis rugón, tehát a nuadik módus közeíthetô az effektív tömeges eírássa (mégpedig anná pontosabban miné kisebb az m / tömegarány) A többi (n ) módus aakja aho k n n π s n (x,t) x sin( t φ n ), n π m O és ω n ck n (5) (6) Ezek oyan áóhuámok, ameyekben rendre n cso- s (x) v (x) n n sin φ n sin k n x, cos φ n x (9) () A x függvények az adott k n -ek meett az < x szakaszon önmagukban nem, de a tömegekke súyozva ortogonáisok Ez esetünkben azt jeenti, hogy ρ x sink m xdx sink m δ nm m sin κ n () Fontos megjegyezni, hogy ugyanakkor a rugóban évô feszütségeket eíró derivátak a tömegge vaó súyozás nékü ortogonáisok ényegében ugyanazza a normáva: cosk n x cosk m xdx δ nm m sin κ n () 46 FIZIKAI SZELE /

A () ortogonaitást kihasznáva (9) és () az sinφ n ρ s (x) xdx m sin κ n s () sinκ n () E n (6) Speciáisan a nuadik módusra (kis m / esetén) igaz: m ω m n sin κ n A n sin κ sin κ, (7) és cosφ n ρ egyeneteket adja v (x) xdx m sin κ n v () sinκ n (4) egjegyzések: Az s (x ) oyan foytonos függvény, ameyre tejesü, hogy x s (x) >y s (y), ha x > y, hiszen a rugó nem szakadt e, és az egyes részei nem is eôzhetik meg egymást v (x)-nek nem ke foytonosnak ennie, de minden x -re tejesünie ke, hogy v (x) < c, küönben ökéshuámok aakunak ki, ameyekre nem jó a huámegyenet Ezen fetéteek tejesüése ugyan szükséges, de nem eegendô ahhoz, hogy a mozgás során ne fordujon eô vaamiyen katasztrófa : ha pédáu v / > D /, akkor biztos, hogy a rugó úgy deformáódik, hogy arra a jeen eírás nem ehet érvényes (a rugó deformációja biztos nem írható e a ineáris erôtörvénnye, hisz azt fetéteezve még nua hosszúságúra összenyomva sem képes az tömeg energiáját enyeni) így annak az energiája (8) Fontos megjegyezni, hogy ( 4) és (8) egyenetek csak a nuadik módusra vonatkoznak, és azt jeentik, hogy ez a módus jó közeítésse (a küönbözô menynyiségek esetében O (m / ), ietve O((m / ) ) reatív hibáva) úgy írható e, mint egy +m/ tömeg A ampitúdójú rezgése egy D direkciós erejû ideáis rugón Viszont az, hogy a mozgás egésze mennyire jó közeítésse heyettesíthetô az aapmódussa, az attó függ, hogy az adott kezdeti fetéteek meett miyen súya vannak jeen a magasabb feharmonikusok Két péda E ω m A D A A kezdeti fetéteek jeentôségének a bemutatására két esetet részetesen is eemezünk: a) az tömegné fogva a rugót A-va kihúzzuk, majd magára hagyjuk, ietve, b) az tömegnek hirteen (pédáu ütközésse) a rugó irányába esô v sebességet adunk egodás az a) kezdeti fetéte meett Ebben az esetben s (x) A x, v (x) (9) Ennek megfeeôen () és (4) szerint minden φ n π/, és A módusok energiája m sinκ n A m sin κ n κ n () A tejes energia E ε s(x,t) x s(,t) t ρ s(x,t) t dx (5) inden módushoz megadható az tömeg rezgésének az adott módushoz tartozó ampitúdója A A sinκ n n n m sin κ n A m sin κ n κ n () Tekintette arra, hogy a t -ban ezek összege az tömeg aktuáis, azaz A kitérése, Beheyettesítve, és a ( ) ortogonaitásokat kihasznáva megkapjuk, hogy ez az egyes módusok energiájának az összege: n m sin κ n m sin κ n κ n () WOYNAROVICH FERENC: HOGYAN IS OZOG EGY TÖEGES RUGÓ? I 47

ke, hogy egyen Speciáisan kis m / esetén (egy eég fáradságos, éppen ezért itt nem részetezett sorfejtés szerint) V n sinκ n sin κ n m sin κ n v (4) ietve A A, 45 An A, han 4 (nπ) () (4) Érdemes megnézni az egyes módusokban tárot energiát! Ha az -eket beheyettesítjük az energiaképetbe ive a t -ban ezek összege az tömeg aktuáis v sebessége, most a n sin κ n m sin κ n összefüggésnek ke tejesünie Speciáisan kis m / esetén V m v, (4) (44) E n ω n m sin κ n m sin κ n κ 4 n adódik Ebbô, fehasznáva, hogy A (5) és V n m v, han > π n (45) ω n m D, (6) Ha az -eket beheyettesítjük az energiaképetbe, az κ n E n sin κ n m sin κ n v (46) E n m sin κ n m sin κ n κ n DA (7) összefüggést kapjuk, tehát az egyes módusokra esô energiahányad Figyeemre métó, hogy E m sin κ n m sin κ n κ n E An A (8) (9) (Fontos, hogy az -ekben nem csak a rezgô, hanem a rugón kiaakuó áóhuámok energiája is benne van, ezért ehetséges, hogy az -ek aránya azonos az -ekéve Iyen típusú azonosság csak speciáis kezdeti fetéteek meett várható) egodás a b) kezdeti fetéte meett Ez a kezdeti fetéte s (x), v (x), ha x <, v, ha x Ennek megfeeôen φ,és sinκ n m sin κ n v (4) (4) inden módushoz rendehetô egy sebesség, ami az tömeg rezgésének az adott módushoz tartozó sebességampitúdója: adódik, tehát a tejes energia az egyes módusokon E sin κ n m sin κ n arányban oszik e Ebben az esetben E V n v tábázat Néhány adat a tömegarány függvényében m/,,,6, κ,,58,75,86 (T T eff )/T,%,8%,9%,66% [(E E )/E] a,%,7%,6%,9% [(E E )/E] b,6% 9,4% 7,6% 7,% (47) (48) A két eset összehasonítására az tábázatban fogatuk össze néhány mennyiség értékét küönbözô tömegarányok meett A második sorban a κ értéke csak a tejesség kedvéért szerepe A harmadik sorban T az aapmódus rezgésideje, míg T eff az eff +m/ effektív tömegge számot érték [(E E )/E] a és [(E E )/E] b a rezgés tejes energiájábó a feharmonikusokra esô rész reatív súya az a), ietve b) kezdeti fetéte meett (A reatív etéréseket, ietve súyokat százaékban adtuk meg) Szembetûnô, hogy a nuadik módus rezgésidejének T eff -fe vaó közeítése egész nagy tömegarányig igen jó, még m meett is kisebb mint % reatív hibát okoz Hasonó módon tág határokig jó közeítésnek átszik az a) esetben a 48 FIZIKAI SZELE /

tejes mozgás heyett csak a nuadik módussa számoni: még azonos tömegek esetén is több mint 98% súya a nuadik módus gerjed Nem ez a heyzet a b) kezdeti fetétené, amikor már m, meett is több mint %, m, esetén pedig már köze % a feharmonikusok súya Annak, hogy egy adott tömegarány meett a b) esetben nagyobb súya gerjednek a feharmonikusok, mint az a)-ban, igen szeméetes oka van: az a) kezdeti fetéte hasonít a nuadik módusra, míg a b) nem uadik módushoz tartozó emozduás közeít az egyenetesen növekvôhöz, így az a) esetben a magasabb módusoknak csak azért ke megjeenniük, hogy a kettô közötti kis etérést kompenzáják Ugyanakkor az aapmódushoz egy köze egyenetesen növekvô sebességeoszás tartozik, így a b) esetben a feharmonikusoknak oyan súya ke gerjedniük, hogy az aapmódus sebességét a végpont kivéteéve mindenütt nuára egészítsék ki Ha itt is enne egy vx/ sebességeoszás a rugó mentén, az a) esethez hasonóan nagy súya gerjedne a nuadik módus Összefogaandó az eddigieket Emondhatjuk: az egyik végén rögzített, tökéetesen rugamas, de véges tömegû rugóbó és egy hozzá erôsített testbô áó rendszer mozgását egy egy-dimenziós rugamas közeg probémájaként tárgyatuk A rugót modeezô rugamas közeg mozgását egy szokásos huámegyenet írja e, ameyhez az egyik vég rögzítése, ietve a másik véghez csatakozó test mozgását eíró Newton egyenet peremfetéteként jeenik meg eghatároztuk a rendszer normá módusait és azt a szabáyt, ameye ezek a kezdeti fetéteekhez ieszthetôk Két egyszerû, de ényegesen küönbözô kezdeti fetétet jeentô feadatban az aapharmonikus és a feharmonikusok viszonyát részetesen eemeztük A mozgások eírása azza ett vona tejes, ha a normá módusokat feösszegezzük Ez az összegzés numerikusan bármikor, de anaitikusan, zárt aakban csak extrém kis rugótömeg határesetben végezhetô e Szerencsére a rugó és a test mozgásának részetei más módon is federíthetôk Ez esz munkánk második részének tárgya EGY REÉNYTELENNEK TÛNÔ VEZÉRLÉSI PROBLÉA A KLASSZIKUS ÉS ODERN FIZIKA HATÁRÁN Té András, BE, echatronika aapszak, III évfoyam Té Tamás, ELTE, Eméeti Fizikai Tanszék A modern mûszaki probémákban, így pédáu a robotok tervezésekor gyakran épnek fe irányítási, vezérési feadatok Ezek közü küönösen érdekesek azok, ameyek során egy eredendôen instabi áapotba ke ejuttatni a rendszert Az aábbiakban bemutatunk egy esô átásra reményteennek tûnô mechanikai feadatot, ameynek megodásához a modern fizika mára már kasszikussá vát eredményei adnak segítséget A vezérési feadat Tekintsünk egy egyenes mentén harmonikus rezgômozgást végzô m tömegû testet, ameynek rugóáandója egy eôírt D(t) függvény szerint vátozik idôben Az x(t ) kitérés-idô függvényt meghatározó mozgásegyenet [] csak a kitéréstô függ, hanem az idôfüggô rugóáandó pianatnyi értékétô is Az () egyenet jobb odaa expiciten is függ az idôtô, a differenciáegyenet nem autonóm, vagyis a mozgás foytatását nem csak a test pianatnyi heyzete és sebessége határozza meg, hanem egy küsô hatás is Az egyenet oyan típusú, mint a gerjesztett rezgéseket eíró egyenetek [], csak az idôfüggés nem egy küsô erôben, hanem a rugóáandóban jeenik meg A mechanikai összenergia a súródás hiányában sem áandó, hiszen a rugóáandó idôbei vátozása miatt a rendszer energiát nyerhet vagy veszíthet Tegyük fö ráadásu, hogy a rugóáandó idôben monoton módon csökken, egy idô után eôjeet vát, s attó kezdve végig negatív marad Az egyszerûség kedvéért egységnyi tömeget tekintve, s akamasan megváasztott idôegységet hasznáva, ezt kifejezhetjük úgy is, hogy a mozgásegyenetet az mẍ(t) D(t) x(t), () ẍ(t) d k(t) x(t) () aho a pont az idô szerinti deriváást jeöi Az ennek az egyenetnek eeget tevô rendszer manapság érzékeôk (szenzorok) és beavatkozó egységek (aktuátorok) segítségéve könnyen megépíthetô, bármiyen is a D(t ) függvény A rugóra ható erô most tehát nem aakba írjuk Itt d > a nua pianathoz tartozó kezdeti rugóáandó, és k (t) az idôbei vátozást eíró A rugóáandó szóhasznáat annyiban jogos, hogy D(t) továbbra is függeten a kitéréstô TÉL ANDRÁS, TÉL TAÁS: EGY REÉNYTELENNEK TŰNŐ VEZÉRLÉSI PROBLÉA A KLASSZIKUS ÉS ODERN FIZIKA HATÁRÁN 49