A legtöbb egyszabadsági fokú mechanikai rendszer viselkedését kis kitérésű mozgásokra jól leírja a lineáris elemekből álló referencia modell mozgásegyenlete:
|
ahol az ún. csillapítatlan sajátkörfrekvencia és
a relatív csillapítási tényező.
Az egyenlet megoldását a lineáris differenciálegyenletek elmélete alapján az alábbi alakban keressük:
|
A nem triviális megoldást a zárójelben szereplő karakterisztikus polinom gyökeivel a következőképpen írhatjuk fel (a eset kivételével, ld. később):
|
Vizsgáljuk meg az ún. gyökhelygörbét, ha változik:
mivel,
továbbá
vagyis, ha
akkor a gyökök a komplex számsík baloldalán helyezkednek el, ha pedig
akkor a jobboldalán;
esetén komplex konjugált gyökpár a megoldás
mégpedig az origó középpontú
sugarú körön:
.
esetén
kétszeres gyökök;
esetén
valósak;
esetén
valósak.
A továbbiakban csak a esetekhez tartozó megoldásokat vizsgáljuk:
:
a csillapított sajátkörfrekvencia (a lengésidő
),
|
mivel , azaz
(komplex konjugáltak). A csillapodó rezgés
alakban is felírható, melynek segítségével értelmezhetjük a csillapodási hányados
|
ún. logaritmikus dekrementum fogalmát.
: aperiodikus határeset; a kétszeres gyök miatt a megoldás kvázipolinom alakú:
|
:
, a jelenség exponenciálisan csökkenő aperiodikus mozgás:
|
ahol és
.
Rajzoljuk fel grafikonjait a
komplex számsík néhány tipikus pontjában …!
A referencia modellt most kiegészítjük az tömegre ható
harmonikus gerjesztő erővel. Ezáltal a mozgásegyenlet új alakja:
|
ahol az ún. statikus kitérés vagy deformáció, ami az
tömeg statikus elmozdulását adja meg konstans
esetén (
).
A mozgásegyenlet most egy inhomogén közönséges differenciálegyenlet, melynek általános megoldását a homogén rész általános megoldásának és az inhomogén egyenlet partikuláris megoldásának összegeként kapjuk meg:
|
mivel kvázipolinomiális gerjesztő függvény esetén a partikuláris megoldást is a megfelelő fokú és frekvenciájú függvény alakjában keressük.
A -t visszaírva a differenciálegyenletbe és
,
együtthatói szerint szétválasztva:
|
||
|
illetve -tel való osztás után (a
frekvenciaviszony vagy hangolás bevezetésével) mátrix alakba rendezve:
|
Az egyenletrendszer megoldása:
|
amiből kapjuk, hogy
|
Innen a nagyítás:
, és
a fázisszög (vagy fáziskésés — a gerjesztéshez képest).
A nagyítás függvény szélsőértékhelye megegyezik a gyökjel alatti kifejezés szélsőértékhelyével (mivel a tartományon az
szigorúan monoton változik):
|
Innen a szélsőértékhely és az
szélsőérték:
|
Ha, akkor
, és
– minőségi tényező, illetve
– veszteségi tényező.
Egyensúly alatt a mechanikai rendszer tartós nyugalmi állapotát értjük, azaz ha ( anyagi pont esetén)
|
(3.1) |
Elnevezések:: egyensúlyi helyzet;
: egyensúlyi állapot.
(Bernoulli, 1717; Galilei: „A mechanika aranyszabálya”):
Egy rendszernek az (ideális) kényszerekkel összeférő pozíciója egyensúlyi helyzet
az
szabaderők virtuális teljesítményének összege ott tartósan zérus:
|
(3.2) |
Bizonyítás: szükséges feltétel, hiszen a d'Alembert-elv alapján
|
Másrészt, ha tartósan zérus egy
helyzetben (és itt
azaz
), akkor megegyezik a ténylegesen lehetséges teljesítménnyel, mivel
megegyezik a lehetséges sebességekkel (vagyis az ilyen helyzet szkleronom, időtől független). Tehát
|
(3.3) |
a teljesítménytétel értelmében. Viszont ha ez az helyzet nyugalmi helyzet — azaz a
kinetikus energia zérus és egyben minimális, hiszen
— akkor a szabaderők zérus virtuális teljesítménye esetén a kinetikus energia változatlan, azaz zérus marad, tehát az adott helyzet tartós nyugalmi, vagyis egyensúlyi helyzet.
Általánosabban megfogalmazva: mivel a nyugalmi állapot megszűnése csak
|
(3.4) |
esetén következhet be, az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy
|
(3.5) |
ami egyenlőtlenséggel megadott kényszerfeltételek mellett is alkalmazható.
Következmény: holonom mechanikai rendszernek (
) egyensúlyi helyzete
ha ott az általános erők tartósan zérusok:
, mivel
|
(3.6) |
és a kényszerfeltételeket kielégítik, így tetszőlegesek (függetlenek), tehát
.
Konzervatív holonom szkleronom mechanikai rendszerekben a egyensúlyi helyzetben
|
(3.7) |
és mivel -k függetlenek és tetszőlegesek az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy
|
(3.8) |
vagyis, hogy az potenciál függvénynek az egyensúlyi helyzetben lokális szélsőértéke legyen.
Potenciálos erőtérben mozgó holonom (reonom) mechanikai rendszer mozgásegyenlete az alakú kinetikus potenciállal:
|
(3.9) |
Egyensúly esetén (,
) az első, a második és a negyedik tag eltűnik:
|
(3.10) |
mivel és
. Az idő szerinti teljes deriválás után csak a parciális derivált marad meg (mert a másik tag
-tal szorzódna):
|
(3.11) |
és ennek az egyenletrendszernek a megoldása adja az egyensúlyi helyzetet. Ez persze nem függhet az időtől, ami tipikusan[3] akkor teljesül, ha,
az időnek legfeljebb elsőfokú,
pedig nulladfokú kifejezése. Ebben az esetben
|
(3.12) |
Konzervatív erők (nem rendszer!) esetén pedig a
|
(3.13) |
feltétel határozza meg a,
tulajdonsággal bíró
dinamikus egyensúlyi helyzetet, hiszen itt
is lehetséges, ami alapján a kinetikus energia
, de az időben állandó (ld. kritikus fordulatszám legegyszerűbb modellje).
Azt mondjuk, hogy az differenciálegyenlet-rendszer (
egyenletrendszert kielégítő)
egyensúlyi helyzete vagy pontmegoldása Ljapunov-stabilis, ha
számhoz
, hogy
|
(3.14) |
Azaz bármilyen kis számhoz megadható az
egyensúlyi helyzetnek egy valamilyen (esetleg
-tól függő)
sugarú környezete, hogy az abból indított megoldások mindig az egyensúlyi helyzet
sugarú környezetében maradjanak.
Azt mondjuk, hogy az differenciálegyenlet-rendszer
egyensúlyi helyzete vagy pontmegoldása aszimptotikusan stabilis, ha Ljapunov-stabilis és
|
(3.15) |
Az állandó, valós együtthatós, homogén lineáris differenciálegyenlet-rendszer általános megoldása:
|
(3.16) |
ahol,
,
,
, továbbá
valamint
az
együtthatómátrix valamelyik
sajátértékével egyezik meg (ha az összes
egyszeres gyök!).
Az rendszer
(triviális) pontmegoldása (tetszőleges valós állandó
mátrix esetén is)
aszimptotikusan stabilis, ha
Ljapunov-stabilis, ha és a
gyökök multiplicitása egyszeres
mátrix minimálpolinomjában (ellenpélda:
egyébként pedig instabil.
Példa Ha
|
tehát a minimálpolinom és
nem korlátos megoldás. Viszont
esetén bár
ismét, de
lesz a minimálpolinom és korlátosak az
alakú megoldások.
Időtől független gerjesztés esetén a másodfajú Lagrange-egyenletek holonom szkleronom rendszernél az alábbi alakot öltik:
|
(3.17) |
ahol
|
||
|
Vizsgáljuk a rendszer egyensúlyi helyzetének környezetében történő mozgásokat (azaz
megoldása a (3.17) egyenleteknek). Ekkor az
potenciálfüggvény másodfokú tagokig történő és a
általános erők első fokig történő sorfejtése az egyensúlyi helyzet körül:
|
||
|
Tehát az egyensúlyi helyzetben ( miatt)
|
(3.18) |
amiből meghatározható.
Bevezetve a koordinátákat a
összefüggés alapján, majd átparaméterezve az egyenleteket a
koordinátákkal kifejezve és elhagyva a ~-t formailag a (3.17) egyenlettel azonos összefüggésre jutunk, azonban a vizsgált egyensúlyi helyzet a konfigurációs tér origójába kerül:
(eredetileg
). Azaz az általánosság megszorítása nélkül feltehetjük, hogy az általános koordináták mindig választhatók úgy, hogy egy egyensúlyi helyzetet (e.h.) a
koordinátaértékek azonosítsanak.
Módosítsuk -t és
-t a következő módon:
|
(3.19) |
|
(3.20) |
|
Ezzel a másodfajú Lagrange-egyenletek kis mozgások esetén egy homogén lineáris másodrendű közönséges differenciálegyenlet-rendszert alkotnak, melyek az alábbi mátrix alakba rendezhetők:
|
(3.21) |
ahol a tömeg-, csillapítási és merevségi mátrix rendre
|
(3.22) |
Időtől független esetben, vagyis állandó,
,
esetén a (3.21) egyenletnek a homogén általános megoldása
|
(3.23) |
próbafüggvény (Ansatz) alakjában keresendő, amit ha beírunk a (3.21) mátrix differenciálegyenletbe, akkor egy homogén lineáris egyenletrendszerhez illetve sajátérték–sajátvektor feladathoz jutunk:
|
(3.24) |
ami -től függetlenül kell, hogy teljesüljön. Viszont, ha
(nem triviális) megoldásokat (sajátvektorokat) keresünk, akkor az együttható mátrix determinánsának kell zérusnak lennie, azaz
|
(3.25) |
ami a sajátértékekre vonatkozó
-edfokú karakterisztikus egyenlet.
A karakterisztikus egyenlet gyökei között lehetnek komplex konjugált párok, hasonló komplex konjugált sajátvektorokkal, vagyis
|
úgy hogy
|
(3.26) |
ahol már valós vektorok és
a kezdeti feltételektől függő
darab valós szám (amennyiben a sajátértékek egyszeresek).[4]
Amennyiben a csillapítási mátrix zérus elemekből áll és az összes
megoldás korlátos (pl. konzervatív rendszerekben), akkor az
|
(3.27) |
hiányos másodrendű mátrix differenciálegyenlet sajátértékei tiszta képzetes gyökpárok lesznek, mivel a
|
(3.28) |
karakterisztikus egyenlet egy -re
-edfokú algebrai egyenlet lesz. Belátható, hogyha ennek gyöke egy
pozitív valós szám, vagy egy
konjugált képzetes gyökpár, akkor ezekhez tartozik pozitív valós részű
gyök (
), ami az exponenciális kitevőben
esetén a
megoldások korlátosságának ellentmond.
Viszont, ha (valós szám), akkor
tiszta képzetes gyököket kapunk (ennek feltétele, hogy
szimmetrikus pozitív definit mátrix legyen), aminek a
|
(3.29) |
homogén általános megoldás felel meg, és
integrálási állandókkal. Tehát a megoldás harmonikus függvények lineáris kombinációja, melyeknek — azaz a magára hagyott rendszer szabad rezgéseinek — körfrekvenciája
. Mivel ezek értéke csak az
tömegmátrixtól és az
merevségi mátrixtól függ — melyeket többnyire csak a rendszer fizikai, geometriai paraméterei határoznak meg, külső hatások nem —, ezért
-t a csillapítatlan rendszer
-edik sajátkörfrekvenciájának is nevezzük
, a
|
(3.30) |
karakterisztikus egyenletet pedig frekvenciaegyenletnek.
Megfelelő kezdeti feltételekkel elérhető, hogy a megoldás tisztán az egyik vagy másik sajátkörfrekvenciájú rezgést tartalmazza. Ilyenkor az egyes általános koordináták értékeinek egymáshoz viszonyított arányai minden időpillanatban megegyeznek a megfelelő sajátvektor elemeinek egymáshoz képesti arányaival, és a koordináták egyszerre érik el a szélsőértékeiket illetve válnak zérussá. E fizikai tartalom miatt a sajátvektorokat az egyes sajátkörfrekvenciákhoz tartozó lengésképek vektorának is nevezzük.
A mozgásegyenletet linearizálva a egyensúlyi helyzet körül,
bevezetésével kapjuk a következő mátrix együtthatós differenciálegyenlet-rendszert:
|
(3.31) |
Az próbafüggvényt behelyettesítve egy sajátérték-sajátvektor feladat homogén lineáris algebrai egyenletrendszerét kapjuk:
|
(3.32) |
melynek akkor létezik nemtriviális megoldása, ha
. Az utóbbi karakterisztikus egyenletnek a
gyökei valósak, mivel mind
, mind
valós szimmetrikus mátrixok, továbbá a megfelelő
sajátvektorok is valós eleműek (vagy tiszta képzetes konjugáltak, ami persze nem jelent érdemi különbséget).
Mivel gyök esetén
, azaz az egyik gyök mindenképpen pozitív lenne és így
|
(3.33) |
azaz nem marad korlátos az egyensúlyi helyzet bármilyen kis mértékű megzavarása esetén, ezért csak a
gyökök esetén lehet a
egyensúlyi helyzet stabilis. Ekkor
, azaz
, és
|
(3.34) |
ami eleget tesz a Ljapunov-féle stabilitási kritériumnak (de nem aszimptotikusan stabilis!).
Visszahelyettesítve az előbb karakterisztikus egyenlet megoldását és a hozzátartozó
sajátvektort a homogén lineáris egyenletrendszerbe és megszorozva azt balról
-val, átrendezés után az alábbi kifejezéshez jutunk:
|
(3.35) |
Mivel a Ljapunov-féle stabilitáshoz szükséges és
szimmetrikus pozitív definit mátrix, a számláló pozitivitásának elégséges feltételét jelenti, ha
mátrix illetve az
potenciálfüggvény kvadratikus alakja az egyensúlyi helyzet környezetében is pozitív definit, azaz
-nak az egyensúlyi helyzetben lokális minimuma van. Tehát
mátrix összes sajátértéke pozitív valós szám, ami a Sylvester-féle tétel értelmében igaz,
ha
összes sarokaldeterminánsa pozitív.
A pozitív definitség illetve
esetében szükséges feltétel is egyben: minthogy
az összes gyökre értendő, ami az
feltételt vonja maga után
, amiből viszont az
sajátvektorok
-re vonatkozó ortogonalitása miatt következik, hogy
.
Ha a megoldásokat behelyettesítjük a (3.27) egyenletbe, akkor a
-edik illetve
-adik sajátkörfrekvenciákhoz és
illetve
sajátvektorokhoz a következőket kapjuk:
|
(3.36) |
|
(3.37) |
Az egyenleteket megszorozva balról -val illetve
-vel majd kivonva őket egymásból:
|
(3.38) |
mivel és
szimmetrikussága miatt
|
A (3.38) egyenletből következik, hogy
|
(3.39) |
azaz a sajátvektorok ortogonálisak az tömegmátrixra nézve.
Legyen a lengésképek valamilyen lináris kombinációjaként előállított tetszőleges vektor. Ekkor az
|
(3.40) |
hányadost Rayleigh-hányadosnak nevezzük.
A kinetikus energia pozitív definit kvadratikus alakjából következik a szimmetrikus mátrix pozitív definitsége. Így a korlátos, nem csillapodó rezgések kialakulásának feltétele, hogy a szimmetrikus
mátrix is pozitív definit legyen:
|
Rendezzük sorba az sajátkörfrekvenciákat úgy, hogy
|
(3.41) |
és vizsgáljuk a Rayleigh-hányados számlálójában szereplő kifejezést:
|
(3.42) |
ahol összefüggésben kihasználtuk a sajátvektorok ortogonalitását.
A (3.42)-ben megfogalmazott egyenlőtlenséget átrendezve kapjuk, hogy
|
(3.43) |
azaz az Rayleigh-hányados tetszőleges
vektor esetén felülről becsli az első (legkisebb) sajátkörfrekvencia négyzetét (a legnagyobb sajátkörfrekvenciájét pedig alulról). Természetesen minél jobb közelítést adunk
-vel
-re, az első lengésképre,
is annál jobban közelíti
-et.
A (3.36) egyenletet az merevségi mátrix
inverzével végigszorozva balról képezzük
esetén az alábbi iterációs eljárást:
|
(3.44) |
Megmutatjuk, hogy ez az iteráció konvergens, és tipikusan -hez, az első lengésképvektorhoz tart.
Az iterációnak több fixpontja is van, hiszen bármelyik sajátvektort behelyettesítve a frekvenciaegyenlet átírt formáját kapjuk vissza, amit
-k kielégítenek.
Az
|
(3.45) |
iterációt az fixpont
környezetében jól közelíti a
derivált tenzorral megadott lineáris leképezés, ami akkor konvergens, ha
mátrixának spektrálsugara
|
(3.46) |
vagyis az összes sajátértéke a komplex egységkör belsejében található.
Képezzük tehát a Stodola-iteráció jobb oldalán szereplő kifejezés gradiensét:
|
(3.47) |
mivel a második tagban a számláló zérus, hiszen, továbbá
és
szimmetrikus mátrixok (másképpen: mivel az
Rayleigh-hányados
esetén minimális, ezért ott a gradiense
).
Nézzük most az mátrix sajátértékeit:
|
(3.48) |
Belátható, hogy -k a
frekvenciaegyenletből számítható sajátkörfrekvenciák négyzeteinek reciprokával egyenlőek:
|
amiből viszont
|
(3.49) |
és az egyenlőség csak esetén áll fenn. Vagyis tetszőleges
vektor esetén az
sajátvektoron kívüli altérbe eső komponensek előbb-utóbb eltűnnek, és a Stodola-iterációval
az
lengéskép által meghatározott első sajátirányhoz tart.
Ha a csillapítatlan (konzervatív) rendszer első lengésképhez tartozó megoldását nézzük, illetve ha a rendszer tisztán az első sajátrezgésével rezeg, vagyis
|
(3.50) |
akkor
|
(3.51) |
mivel a legnagyobb kitérésnél maximális az alakváltozási energia és ez egyben az mechanikai összenergia is, hiszen a legnagyobb kitérésnél a kinetikus energia zérus
.
A kinetikus energia esetén lesz a legnagyobb (és ekkor
):
|
(3.52) |
Mivel konzervatív rendszerről van szó, a mechanikai összenergia állandó:
|
(3.53) |
Vagyis
|
(3.54) |
ami a Rayleigh-hányados általánosításaként az első sajátfrekvenciára kínál becslést végtelen szabadságfokú (kontinuum) rendszerek esetén is. Azaz a legkisebb sajátfrekvenciához tartozó lengésalakot megfelelően közelítve (becsülve), a hozzá tartozó és
kifejezések hányadosának gyöke
-hez közeli értéket ad eredményül.
Vizsgáljuk ismét a frekvenciaegyenletet:
|
(3.55) |
|
A együtthatók a
mátrix első, második, stb. skalárinvariánsait jelölik, tehát pl.
, ami a
mátrix nyomának felel meg.
A váltakozó előjelű együtthatójú, csupa valós gyökkel bíró karakterisztikus polinom analízisével megmutatható, hogy az -nél magasabb fokú tagokat elhagyva az első két tag által alkotott másodfokú polinom az
helyen negatív értéket vesz fel:
|
(3.56) |
vagy másképpen
|
(3.57) |
Olyan különleges esetekben, amikor az tömegmátrix diagonális, akkor
|
(3.58) |
ahol az eredeti mechanikai rendszerből képzett olyan egyszabadságfokú rendszerek sajátkörfrekvenciái, ahol csak az
tömeget tartottuk meg és a többit elhagytuk, és az így kapott részmodell rugómerevsége
lett.
Példa Vizsgáljuk egy rezgető motor hajlítómerevségű tengelyére erősített
mm magasságú és
mm sugarú félhenger alakú
g-os rezgő tömeg alkotta rezgőrendszer sajátkörfrekvenciáit. A teljes henger tehetetlenségi nyomatéka
lenne, ahol az első tag a két félhengernek a henger
szimmetriasíkjáraszámított
nagyságú tehetetlenségi nyomatékainak összegével egyezik meg. Ebből a félhengernek a
távolságra levő súlypontján átmenő
síkkal párhuzamos síkra számított tehetetlenségi nyomatéka a Steiner-tételt visszafelé alkalmazva:
|
A továbbiakban az egyszerűség kedvéért feltesszük, hogy a tömeg súlypontja a motor tengelyén helyezkedik el, mm távolságra a tengely csapágyazásától (
mm a szabad tengelyhossz).
Az hosszúságú befogott rúd szabad végének
lehajlása és
szögelfordulása a rúd végére ható
koncentrált erő és
erőpár hatására:
|
||
|
Így a szabad tengelyszakasztól távolságra levő súlypont
függőleges elmozdulása a ráható
erő következtében:
|
mivel és
kis elmozdulások esetén.
Azaz az egyenértékű rugómerevség illetve az abból számítható sajátkörfrekvencia:
Ha a tehetetlenségi nyomatékot is figyelembe vesszük, akkor egy két szabadsági fokú rendszert vizsgálhatunk, melynek kinetikus illetve potenciális (alakváltozási) energiája:
ahol és
Az mozgásegyenlet
tömegmátrixa és
merevségi mátrixa numerikusan:
és a karakterisztikus egyenlet:
amiből rad/s (1890 Hz) és
rad/s (28073 Hz).
Ha az első sajátfrekvenciával való rezgéshez tartozó rugalmas szál alakját a befogásnak megfelelő peremfeltételt kielégítő legegyszerűbb
függvénnyel közelítjük, valamint
akkor
amiből a Rayleigh-hányados szerint rad/s
.
A kinetikus energia előbbi kifejezésébe beleszámítva a tehetetlenségi nyomatékot is:
és így az első sajátkörfrekvencia javított becslése (vö. két szabadságfokú eset)
A rugalmas szál alakját magasabb fokszámú, több ismeretlen paramétert tartalmazó polinommal vagy más függvénnyel (pl. ) is közelíthetjük. Legyen most
, ami továbbra is megfelel a kinematikai peremfeltételnek. Ezzel
A potenciális energia maximuma most:
a kinetikus energia pedig
Most is feltételezhetjük, hogy a sajátrezgések során a rezgő rendszer minden (anyagi) pontja egyszerre éri el a szélsőhelyzetét, amikor is és
, valamint
esetén
, azaz
mivel és
is homogén kvadratikus kifejezése az
vektort alkotó
és
paramétereknek. Az
és
mátrixokat az
és
kifejezéseinek
és
szerinti paricális deriválásából kaphatjuk meg:
Triviálistól eltérő, vektort úgy kaphatunk, ha
vagyis visszakapjuk két szabadságfokú esetnél kiszámított eredményeket, ami nem meglepő, hiszen a köbös közelítés már elégséges a rugalmas szál pontos alakjához. Amennyiben a tengely tömege nem lenne elhanyagolható, a tengely mozgási energiáját is beszámítva a
-ba az eredmények pontossága tovább javítható.
Példa Az ábrán egy tömegű
sugarú tárcsa és a tetejére helyezett
magasságú,
hosszúságú homogén hasáb látható, melyet a hasáb végét és a falat összekapcsoló
merevségű rugó tart egyensúlyban. A tárcsa gördül a talajon, és a hasáb sem csúszik meg a tárcsa felszínén a kis kitérésű mozgások alatt. Határozzuk meg, hogy milyen paraméterértékek esetén lesz stabilis az egyensúlyi helyzet!
A stabilitás a rugó és a nehézségi erőtér potenciáljának pozitív definitásától függ. Mivel a tárcsa súlypontjának függőleges helyzete nem változik, csak a hasáb súlyponti helyvektorára van szükségünk:
|
ahol , azaz
Feltéve, hogy a rugó az egyensúlyi helyzetben feszítetlen, a megnyúlása egy tetszőleges kitérés esetén:
|
Ezzel az potenciálfüggvény:
|
melynek parciális deriváltjai és egyensúlyi helyzet körüli linearizálása:
|
||
|
||
|
||
|
A linearizált rendszer merevségi mátrixa tehát:
|
és a determinánsa:
|
ahol és
. Tehát a stabilitás feltételei (
sarokaldeterminánsai alapján):
|