Vibrația forțată este atunci când se aplică o perturbare variabilă de timp (sarcină, deplasare sau viteză) la un sistem mecanic. Perturbația poate fi o intrare periodică și staționară, o intrare tranzitorie sau o intrare aleatorie. Intrarea periodică poate fi o perturbație armonică sau non-armonică. Exemple de astfel de tipuri de vibrații includ o mașină de spălat care se agită din cauza unui dezechilibru, vibrațiile de transport produse de un motor sau un drum accidentat, sau vibrațiile unei clădiri în timpul unui cutremur. Pentru sistemele liniare, frecvența răspunsului la vibrații la starea de echilibru care rezultă din aplicarea unei intrări armonice periodice este egală cu frecvența forței sau mișcării aplicate, mărimea răspunsului fiind dependentă de sistemul mecanic real.
Oscilații
Oscilația este variația repetitivă, de regulă în timp, a unei anumite măsurători despre o valoare centrală (adesea un punct de echilibru) sau între două sau mai multe stări diferite. Termenul vibrație este folosită tocmai pentru a descrie oscilația mecanică. Exemple familiare de oscilații includ pendulul și curentul alternativ.
Oscilațiile apar nu numai în sistemele mecanice, ci și în sistemele dinamice în aproape toate domeniile științei: de exemplu bătăile inimii umane (pentru respirație), cicluri de afaceri în economie, cicluri populaționale de prădători-pradă în ecologie, gheizere geotermale în geologie, vibrații în instrumente muzicale, arderea periodică a celulelor nervoase în creier și pulsația periodică a stelelor variabile Cefeide în astronomie.
Oscilator armonic simplu
Cel mai simplu sistem oscilant mecanic este o greutate atașată la un arc liniar supus numai greutății și tensiunii. Un astfel de sistem poate fi aproximat pe o masă de aer sau o suprafață de gheață. Sistemul se află într-o stare de echilibru atunci când arcul este static. Dacă sistemul este deplasat din echilibru, există o forță de retaurare netă asupra masei, tinzând să o readucă la echilibru. Cu toate acestea, în mișcarea masei înapoi în poziția de echilibru, ea a dobândit un impuls care o duce dincolo de această poziție, rezultând o nouă forță de restaurare în sensul opus. Dacă în sistem este adăugată o forță constantă, cum ar fi gravitația, punctul de echilibru este deplasat. Timpul necesar pentru o oscilație este adesea denumit perioada de oscilație.
Sistemele în care forța de restaurare a unui corp este direct proporțională cu deplasarea sa, cum ar fi dinamica sistemului de masă cu arc, sunt descrise matematic de către oscilatorul simplu armonic și mișcarea periodică regulată este cunoscută sub numele de mișcare simplă armonică. În sistemul de masă cu arc, oscilațiile apar pentru că, la deplasarea statică a echilibrului, masa are o energie cinetică care este transformată în energie potențială stocată în arc la extremitățile căii sale. Sistemul de masă cu arc ilustrează unele trăsături comune ale oscilației, și anume existența unui echilibru și prezența unei forțe de restaurare care devine mai puternică cu cât sistemul se abate mai mult de la echilibru.
Oscilații amortizate și forțate
Toate sistemele de oscilatoare din lumea reală sunt ireversibile termodinamic. Aceasta înseamnă că există procese disipative, cum ar fi frecarea sau rezistența electrică, care convertesc continuu o parte din energia stocată în oscilator în căldură în mediul înconjurător. Aceasta se numește amortizare. Astfel, oscilațiile tind să scadă în timp, cu excepția cazului în care există o sursă netă de energie în sistem. Cea mai simplă descriere a acestui proces de încetinire poate fi ilustrată prin încetinirea oscilației oscilatorului armonic.
În plus, un sistem oscilant poate fi supus unei anumite forțe exterioare, ca atunci când un circuit de curent alternativ este conectat la o sursă de energie exterioară. În acest caz se spune că oscilația este forțată.
Unele sisteme pot fi excitate de transferul de energie din mediul înconjurător. Acest transfer are loc de obicei acolo unde sistemele sunt încorporate într-un anumit flux de fluid. De exemplu, fenomenul de fluturare în aerodinamică are loc atunci când o deplasare arbitrară a unei aripi de avion (de la echilibrul său) are ca rezultat o creștere a unghiului de atac al aripii asupra fluxului de aer și o creștere consecutivă a coeficientului de ridicare, rezultând o deplasare încă mai mare. La deplasări suficient de mari, rigiditatea aripii domină pentru a asigura forța de refacere care permite o oscilație.
Oscilații cuplate
(Setarea experimentală a sincronizării Huygens a două ceasuri)
Oscilatorul armonic și sistemele pe care le modelează au un singur grad de libertate. Sistemele mai complicate au mai multe grade de libertate, de exemplu două mase și trei arcuri (fiecare masă fiind atașată la puncte fixe și una la alta). În astfel de cazuri, comportamentul fiecărei variabile influențează comportamentul celorlalte. Aceasta duce la o cuplare a oscilațiilor gradelor individuale de libertate. De exemplu, două ceasuri de pendul (cu o frecvență identică) montate pe un perete comun vor avea tendința să se sincronizeze. Acest fenomen a fost mai întâi observat de către Christiaan Huygens în 1665. Mișcările aparente ale oscilațiilor compuse apar de obicei foarte complicate, dar o descriere mai economică, mai computațional mai simplă și mai conceptuală din punct de vedere conceptual este dată de rezolvarea mișcării în moduri normale.
Cazuri mai speciale sunt oscilatoarele cuplate, unde energia se suprapune între două forme de oscilație. Este cunoscut pendulul Wilberforce, unde oscilația suplimentează o alungire a unui arc vertical și rotația unui obiect la capătul arcului respectiv.
(Două penduluri cu aceeași perioadă fixate pe o coardă acționează ca o pereche de oscilatoare cuplate. Oscilația alternează între cele două.)
Testarea vibrațiilor
Testarea vibrațiilor se realizează prin introducerea unei funcții de forțare într-o structură, de obicei cu un tip de agitator. Alternativ, un dispozitiv testat este atașat la „masa” unui agitator. Testarea vibrațiilor este efectuată pentru a examina răspunsul unui dispozitiv testat la un mediu de vibrații definit. Răspunsul măsurat poate fi durata de viață a oboselii, frecvențele rezonante sau zgomotul rezultat. Testarea se efectuează cu un tip special de agitator silențios, care produce un nivel de sunet foarte scăzut în timpul funcționării.
Pentru forțe cu frecvențe relativ scăzute, sunt utilizate agitatoare servohidraulicee (electrohidraulice). Pentru frecvențe mai mari, sunt utilizate agitatoare electrodinamice. În general, unul sau mai multe puncte de intrare sau de control situate pe partea dispozitivului testat sunt păstrate la o accelerație specificată. Alte puncte de „răspuns” au un nivel maxim de vibrații (rezonanță) sau un nivel minim de vibrații (anti-rezonanță). Este adesea de dorit să se realizeze anti-rezonanță pentru a evita un sistem să devină prea zgomotos sau pentru a reduce solicitarea anumitor părți datorită modurilor de vibrație cauzate de frecvențele specifice ale vibrațiilor.
Cele mai frecvente tipuri de servicii de testare a vibrațiilor efectuate de laboratoarele de încercări ale vibrațiilor sunt sinusoidale și aleatoare. Sunt efectuate teste sinusoidale (câte o frecvență pe rând) pentru a studia răspunsul structural al dispozitivului testat. O testare aleatorie (toate frecvențele dintr-o dată) este considerată, în general, ca o replicare mai strânsă a unui mediu din lumea reală, cum ar fi impacturile rutiere într-un automobil în mișcare.
Cele mai multe teste de vibrații sunt efectuate într-o singură „axă a dispozitivului testat” la un moment dat, chiar dacă cele mai multe vibrații din lumea reală au loc simultan în diferite axe.
Lasă un răspuns