Bölüm 3. Tek Serbestlik Dereceli Sistemlerin Zorlanmamış Titreşimi

Benzer belgeler
BÖLÜM 4 TEK SERBESTLİK DERECELİ SİSTEMLERİN HARMONİK OLARAK ZORLANMIŞ TİTREŞİMİ

MEKANİK TİTREŞİMLER. Doç. Dr. Mehmet İTİK

Sistem Dinamiği. Bölüm 2- Dinamik Cevap ve Laplace Dönüşümü. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Yapı Sistemlerinin Hesabı İçin. Matris Metotları. Prof.Dr. Engin ORAKDÖĞEN Doç.Dr. Ercan YÜKSEL Bahar Yarıyılı

Fizik 101: Ders 23 Gündem

MEKANİK TİTREŞİMLER DERS NOTLARI

MAKİNA TEORİSİ ÖDEV 3. A) Problemlerin Yanıtları

Sistem Dinamiği. Bölüm 4-Mekanik Sistemlerde Yay ve Sönüm Elemanı. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Yapı Sistemlerinin Hesabı İçin. Matris Metotları. Prof.Dr. Engin ORAKDÖĞEN Doç.Dr. Ercan YÜKSEL Bahar Yarıyılı

Leyla Yıldırım Bölüm BÖLÜM 3 FİZİKSEL SİSTEMLERİN SERBEST SALINIMLARI BASİT HARMONİK HAREKET (BHH)

Genel Bilgiler. Giriş Titreşimlerin Sebepleri Titreşimlerin Sonuçları Sistemlerin Titreşim Analizi Titreşim ve İnsan

Fizik 101: Ders 7 Ajanda

1) Bir sarkacın hareketini deneysel olarak incelemek ve teori ile karşılaştırmak. 2) Basit sarkaç yardımıyla yerçekimi ivmesini belirlemek.

TİTREŞİM VE DALGALAR BÖLÜM PERİYODİK HAREKET

1.1 Yapı Dinamiğine Giriş

SÖNÜMLÜ SERBEST TİTREŞİMLER

Devre Teorisi Ders Notu Dr. Nurettin ACIR ve Dr. Engin Cemal MENGÜÇ

BASİT HARMONİK HAREKET

Otomatik Kontrol. Kapalı Çevrim Kontrol Sistemin Genel Gereklilikleri. Hazırlayan: Dr. Nurdan Bilgin

MEKANĠK TĠTREġĠMLER DENEYĠ

T.C. SÜLEYMAN DEMĐREL ÜNĐVERSĐTESĐ MÜHENDĐSLĐK FAKÜLTESĐ MAKĐNE MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ

RİJİT CİSMİN DÜZLEMSEL KİNETİĞİ: ENERJİNİN KORUNUMU

MAK 308 MAKİNA DİNAMİĞİ Bahar Dr. Nurdan Bilgin

5.DENEY. d F. ma m m dt. d y. d y. -kx. Araç. Basit. denge (1) (2) (3) denklemi yazılabilir. (4)

Newton un ikinci yasası: Bir cisim ivmesi cisim üzerine etki eden toplam kuvvet ile doğru orantılı cismin kütlesi ile ters orantılıdır.

r r r F İŞ : Şekil yörüngesinde hareket eden bir parçacık üzerine kuvvetini göstermektedir. Parçacık A noktasından

ELASTİK DALGA YAYINIMI

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

DENEY 6 BASİT SARKAÇ

Sistem Dinamiği. Bölüm 3- Rijit Gövdeli Mekanik Sistemlerin Modellenmesi. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Mekanik Titreşimler ve Kontrolü. Makine Mühendisliği Bölümü

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

İleri Diferansiyel Denklemler

MM 409 MatLAB-Simulink e GİRİŞ

FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

KİNETİK ENERJİ, İŞ-İŞ ve ENERJİ PRENSİBİ

Hareket Kanunları Uygulamaları

ALTERNATİF AKIMIN DENKLEMİ

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü-Fizik Bölümü

ELASTİK DALGA YAYINIMI

2. Sunum: Birinci ve İkinci Mertebeden Geçici Devreler

ÖN SÖZ... ix BÖLÜM 1: GİRİŞ Kaynaklar...6 BÖLÜM 2: TEMEL KAVRAMLAR... 7

Bölüm 9: Doğrusal momentum ve çarpışmalar

Kuvvet. Kuvvet. Newton un 1.hareket yasası Fizik 1, Raymond A. Serway; Robert J. Beichner Editör: Kemal Çolakoğlu, Palme Yayınevi

KOÜ. Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği ( 1. ve 2. Öğretim ) Bölümü Dinamik Dersi (Türkçe Dilinde) 2. Çalişma Soruları / 21 Ekim 2018

Sistem Dinamiği. Bölüm 9- Frekans Domeninde Sistem Analizi. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Akışkanların Dinamiği

Mühendislik Mekaniği Dinamik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

DİNAMİK TEKNOLOJİNİN BİLİMSEL İLKELERİ

MAK 308 MAKİNA DİNAMİĞİ

Akışkanların Dinamiği

1. STATİĞE GİRİŞ 1.1 TANIMLAR MEKANİK RİJİT CİSİMLER MEKANİĞİ ŞEKİL DEĞİŞTİREN CİSİMLER AKIŞKANLAR MEKANİĞİ DİNAMİK STATİK

İleri Diferansiyel Denklemler

Theory Turkish (Turkmenistan) Bu soruya başlamadan önce lütfen ayrı bir zarfta verilen genel talimatları okuyunuz.

TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi / Makine Mühendisliği Bölümü. Basit Harmonik Hareket Deneyi Deney Föyü. Edirne

10. Sunum: Laplace Dönüşümünün Devre Analizine Uygulanması

SORULAR. x=l. Şekil-1

Newton un II. yasası. Bir cismin ivmesi, onun üzerine etki eden bileşke kuvvetle doğru orantılı ve kütlesi ile ters orantılıdır.

UYGULAMALI DİFERANSİYEL DENKLEMLER

BTÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI DERSİ

İŞ : Şekilde yörüngesinde hareket eden bir parçacık üzerine kuvveti görülmektedir. Parçacık A noktasından

elde ederiz. Bu son ifade yeniden düzenlenirse,

BÖLÜM HARMONİK OSİLATÖR

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM HAFTA 9 COSMOSWORKS İLE ANALİZ

DEPREMLERİN KAYIT EDİLMESİ - SİSMOGRAFLAR -

FİZİK 4. Ders 10: Bir Boyutlu Schrödinger Denklemi

8.04 Kuantum Fiziği Ders XII

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü-Fizik Bölümü

Şekil 6.1 Basit sarkaç

Fizik 101: Ders 18 Ajanda

1 Lineer Diferansiyel Denklem Sistemleri

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

Musa DEMİRCİ. KTO Karatay Üniversitesi. Konya

İKİ BOYUTLU ÇUBUK SİSTEMLER İÇİN YAPI ANALİZ PROGRAM YAZMA SİSTEMATİĞİ

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

Fizik 101: Ders 17 Ajanda

2. POTANSİYEL VE KİNETİK ENERJİ 2.1. CİSİMLERİN POTANSİYEL ENERJİSİ. Konumundan dolayı bir cismin sahip olduğu enerjiye Potansiyel Enerji denir.

KKKKK. Adı Soyadı : Numarası : Bölümü : İmzası : FİZİK I

RÜZGAR TÜRBİNİ PERVANE KANADININ TİTREŞİM ANALİZİ. Doç. Dr. Aydoğan ÖZDAMAR*

1. DENEY ADI: Rezonans Deneyi. analitik olarak bulmak denir. Serbestlik Derecesi: Genlik: Periyot: Frekans: Harmonik Hareket:

MAK585 Dinamik Sistemlerin Modellenmesi ve Simülasyonu

ĐŞ GÜÇ ENERJĐ. Zaman. 5. Uygulanan kuvvet cisme yol aldıramıyorsa iş yapılmaz. W = 0

Bölüm 6 AKIŞ SİSTEMLERİNİN MOMENTUM ANALİZİ

MAK 308 MAKİNA DİNAMİĞİ Bahar Dr. Nurdan Bilgin

5. Elektriksel Büyüklüklerin Ölçülebilen Değerleri

MKM 308 Makina Dinamiği. Eşdeğer Noktasal Kütleler Teorisi

KATI CİSİMLERİN BAĞIL İVME ANALİZİ:

Fizik 101: Ders 4 Ajanda

Fiz Ders 10 Katı Cismin Sabit Bir Eksen Etrafında Dönmesi

Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Fizik Bölümü Fizik I Ders İkinci Ara Sınavı

MAK585 Dinamik Sistemlerin Modellenmesi ve Simülasyonu

11. SINIF KONU ANLATIMLI. 1. ÜNİTE: KUVVET VE HAREKET 7. Konu İTME VE ÇİZGİSEL MOMENTUM ETKİNLİK VE TEST ÇÖZÜMLERİ

Fiziksel Sistemlerin Matematik Modeli. Prof. Neil A.Duffie University of Wisconsin-Madison ÇEVİRİ Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU 2012

İleri Diferansiyel Denklemler

MEKANİK TİTREŞİMLER ve İZOLASYONU (Teorik Açıklamalar ve Uygulamalar)

Doç.Dr. Cesim ATAŞ MEKANİK ŞEKİL DEĞİŞTİREN CİSİMLER MEKANİĞİ DİNAMİK

: Bazı Uzunluk Ölçme Araçlarını Tanımlamak ve

Transkript:

Bölüm 3 Tek Serbestlik Dereceli Sistemlerin Zorlanmamış Titreşimi

Sönümsüz Titreşim: Tek serbestlik dereceli örnek sistem: Kütle-Yay (Yatay konum) Bir önceki bölümde anlatılan yöntemlerden herhangi biri ile sistemin hareket denklemi elde edilmişti. Sistem basit olduğu için Newton un 2. hareket kanunun direk uygulaması ile:

Kütle-Yay (Dikey durum): Bu durumda cismin ağırlığı ile yay bir miktar uzar ve Statik denge konumuna gelir. Titreşim hareketi incelenirken statik denge konumu Etrafında yapılan hareket incelenir. Görüldüğü üzere yatay durum ve dikey durum için elde edilen dinamik denklemler aynıdır. Yerçekiminin etkisi yoktur.

Elde edilen hareket denkleminin çözümü: Elde edilen denklem 2. Mertebeden, Lineer ve Homojen adi türevli bir diferansiyel denklemdir. Çözüm için aşağıdaki kabul yapılırsa; (Laplace Transformu yöntemi de kullanılabilir) Burada C ve s sabit sayılardır ve denklemin çözümünden elde edilecektir. s değerleri denklemin özdeğerleridir. Ayrıca Sönümsüz Doğal Frekans olarak adlandırılır.

Elde edilen öz değerler çözümde yerine konursa; ve eşitliğinden faydalanılırsa Olarak elde edilir. Başlangıç koşulları kullanılarak Çözüm elde edilir:

Çözüm x- eksenine göre simetriktir ve aslında Harmonik bir harekettir. Genliğin maksimum olduğu noktalarda hız sıfır ve ivme Maksimumdur. Bu çözümü farklı bir şekilde ifade etmek için A ve Phi yeni değişkenler olup Çözüm yeni formda:

Veya farklı bir ifade ile: Çözüm yeni formda: Yukarıda verilen tüm çözüm ifadeleri aynı hareketin farklı fonksiyonlarla ifadesidir.

Özel notlar: Dikey konumdaki kütle yay sisteminde doğal frekans statik deplasman ölçülerek bulunabilir. Hız, konumun pi/2 rad önünde ve ivme ise pi rad önünde hareket eder.

Dönel Sistemlerin Burulma Titreşimleri: Hareket denklemi Burada Jo şaftın kesitinin kütlesel atalet momenti (kg.m^2) Periyod ve frekansı:

Örnek: Bir sarkacın doğal frekansını bulunuz. Not: ipin kütlesi ihmal ve sürtünme yok kabul edilecek. n g l

Örnek: Homojen olmayan bir sarkacın doğal frekansı Hareket denklemi elde edilirse Küçük salınımlar için Doğal frekans

Doğal Frekansın Rayleigh Enerji Yöntemi ile bulunması Sönümsüz sistemler için enerjinin korunumundan Eğer sistem harmonik hareket yapıyorsa, X maximum hareket genliği olmak üzere Buradan Burada Tmax: Maximum kinetik enerji yani potansiyel enerjinin sıfır olduğu durum Umax: Maximum potansiyel enerjidir. Yani kinetik enerjinin sıfır olduğu durum.

Örnek: Rayleigh enerji yöntemini kullanarak tek serbestlik dereceli şekildeki sistemin doğal frekansını bulunuz. x( t) X sin( t) x( t) X cos( t) n n n 1 2 1 2 2 2 T mx mx n cos ( nt) 2 2 1 2 2 Tmax mx n 2 1 1 2 2 2 U kx kx nt 2 2 sin ( ) U max 1 2 kx 2 T max U max 1 2 mx2 ω 2 n = 1 2 kx2 n k m

Sönümlü Serbest Titreşim: Örnek sistemin hareket denklemi:

Denklemin çözümü: Karakteristik denklemin kökleri, Buradan çözüm, C1 ve C2 başlangıç koşullarından elde edilecek sabitlerdir.

Kritik Sönüm ve Sönüm Oranı: Kritik sönüm karekök içini sıfır yapan, yani sistemin salınım yapmadan denge konumuna eksponansiyel olarak gittiği ilk sönüm değeridir. Sönüm oranı ise sönüm sabitinin kritik sönüm sabitine oranıdır. Sönüm oranı ve doğal frekans cinsinden:

Sönüm oranının değerine göre 3 farklı durum gözlenir: A) Az sönümlü sistem: Sönümlü hareketin frekansı Sönümlü hareketin frekansı sönümsüz doğal frekanstan daima küçüktür

B) Kritik sönümlü sistem: C) Aşırı sönümlü sistem:

Logaritmik Azalma ile Sönüm Oranının Belirlenmesi: Logaritmik azalma sönümlü titreşimin genliğinin hangi oranda azaldığının bir ölçüsüdür.

Düşük sönüm oranları için

Alınan örnekleme ardışık değilse:

Örnek: Bir motosiklet için az sönümlü bir darbe sönümleyici damper tasarlanacaktır. Motosikletin kütlesi 200 kg dır. Damper yoldaki bir tümsekten dolayı bir başlangıç hızına sahip olacaktır. Motosikletin dikey konum zaman grafiği şekildeki gibi elde edilmiştir. Sönümlü titreşim periyodunun 2 sn olması ve genlik x1 in bir periyodun yarısı kadar zamanda dörtte birine düşmesi için (yani x1.5 = x1 / 4) gerekli rijitliği ve sönüm katsayısını bulunuz.

Çözüm: Bize verilen genlik bilgisinden Böylece logaritmik azalma Buradan sönüm oranı Olarak bulunur. Sönümlü titreşimin periyodu 2 sn olması istendiğinden

Kritik sönüm sabiti Böylece sönüm sabiti ve rijitlik

Örnek: Bir roket atar mekanizması şekilde görülmektedir. Roket ateşlendiğinde roket namlusu (gun barrel) roketin (Projectile) yüksek ivmelenmesinden dolayı geri tepmektedir. Namuluyu durağan hale en kısa sürede getirilmesi önem taşımaktadır. Bunun için yay ve damperden oluşan bir geri tepme (recoil) mekanizması kullanılmaktadır. Örnek sistem için namlu ve geri tepme mekanizmasının kütlesi 500 kg dır. Geri tepme mekanizmasının yay sabiti 10000 N/m olarak seçilmiştir. Roketatar sistemi ateşlemeden sonra 0.4 m geri tepmektedir. A) Damperin kritik sönüm sabitini bulunuz. B) Roketatar sisteminin başlangıç geri tepme hızını bulunuz. C) Sistemin başlangıç konumundan 0.1 m uzağa dönmesi için geçen zamanı bulunuz.

Çözüm: Sistemin sönümsüz doğal frekansı Kritik sönüm sabiti Kritik sönümlü sistemin zaman cevabı: Burada sabitler X(t) nin en yüksek değerini alacağı zaman t1 konumun türevinin yani hızın sıfır olduğu durumdur. Yerine konulursa

Bu örnek için x(0) = 0 yani C1= 0 dır. X(t) nin maximum değeri yani geri tepme mesafesi 0.4 m olması istendiğinden Buradan Eğer t2 silahın başlangıçtan 0.1 m mesafeye döndüğü süre olarak kabul edilirse Buradan

Viskoz Sönümde Kaybolan Enerji Miktarı Viskoz sönümlü bir sistemde enerjinin zamanla değişimi Basit harmonik hareket düşünüldüğünde Bir tam turda harcanan enerji: Yay kullanılması durumunda da sonuç değişmez. Harcanan enerji aynıdır.

Bir tam turda harcanan enerjinin sistemin toplam enerjisine oranı kullanılarak Specific damping capacity, malzemelerin sönüm kapasitelerinin ayır edilmesi için kullanılır Toplam enerji ister potansiye isterse kinetik enerji cinsinden yazılabilir. Maksimum kinetik enerji Maksimum potansiyel enerji

Coulomb Sürtünmeli Sönümlü Serbest Titreşim: Durum 1. x pozitif ve dx/dt de pozitif veya x negatif ve dx/dt pozitif Kütlenin soldan sağa doğru ilerlediği yarım turdur. Newton nun ikinci yasası kullanılarak hareket denklemi: A1 ve A2 bu yarım turdaki başlangıç koşulları kullanılarak bulunur.

Coulomb Sürtünmeli Sönümlü Serbest Titreşim: Durum 2. x pozitif ve dx/dt negatif veya x negatif ve dx/dt de negatif Kütlenin sağdan sola doğru ilerlediği yarım turdur. Newton nun ikinci yasası kullanılarak hareket denklemi: A3 ve A4 bu yarım turdaki başlangıç koşulları kullanılarak bulunur. Buradan tam tur için çözüm

Katsayılar A1, A2, A3 ve A4 için başlangıç koşulları x0 ile v0= 0 ve yarım tur sonundaki koşullar kullanılırsa: olduğunda Bir yarım turdaki konum azalması Olur. İkinci yarım turda, kütle soldan sağa giderse:

Bu koşullar ise üçüncü yarım tur için başlangıç koşulunu oluşturur ve işlem hareket bitinceye kadar devam ettirilir. Hareket ise Olduğunda sonlanır. Coulomb sönümünde hareket denklemi nonlineerdir. Vizkoz sönümde ise lineer. Coulomb sönümünde doğal frekans değişmez, fakat Vizkoz sönümde azalır. Coulomb sönümünde hareket periyodiktir fakat Vizkoz sönümde aperiyodik olabilir (Aşırı sönüm durumu) Coulomb sönümde genlik lineer azalır fakat Vizkoz sönümde ise eksponansiyel azalır. Coulomb sönümde birbirini takip eden iki turda genlik azalması.

Histerik Sönümlü Serbest Titreşim: Histerik sönüm malzemenin iç yapısından kaynaklanan sönümdür. Analizinde viskoz sönüm yaklaşımı yapılır: Viskoz sönüm ile histerik sönüm arasında frekans ilişkisi kurulursa: h histeresis sönüm sabitidir. Viskoz sönümde kaybedilen enerji: Histerik sönümde kaybedilen enerji benzeşimi ise:

Logaritmik azalma: Histerik sönüm oranı (Birimsiz)

Örnek: Deneysel veriden Histerik sönüm oranının tahmini