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簡諧振動的數學表現

圖文 更新时间:2024-12-29 14:01:43

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)1

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)2

大樓阻尼器的擺動

上圖為台灣101大樓内阻尼器。因為高空強風及台風吹拂造成的搖晃.大樓内設置了“調質阻尼器”,就是在88至92樓挂置一個重達660公噸的巨大鋼球,利用擺動來減緩建築物的晃動幅度

1.簡諧振動的運動參量及特征

簡諧振動是指系統的運動參量(位移、速度、加速度)按照時間的正弦或餘弦函數規律變化的振動,是最簡單而又最重要的一種周期振動,如使用餘弦函數表達,則簡諧振動的位移數學表達式為:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)3

式中的振幅和初相位均由初始條件确定。對位移關于時間求一階導數和二階導數,分别得到簡諧振動的速度和加速度表達式:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)4

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)5

比較以上三式,不難看出簡諧振動有以下運動學特征:

(1)簡諧振動的速度、加速度、位移也是簡諧函數,且簡諧函數具有相同的頻率;

(2)速度 的相位較位移的相位超前π/2,加速度相位較位移相位超前π;

(3)加速度與位移恒成正比而方向相反,比例系數為圓頻率的平方。

簡諧運動的位移、速度、加速度時程曲線如下圖:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)6

2.簡諧振動的矢量表示法

簡諧振動可以用旋轉的矢量在坐标上的投影來表示,如下圖,矢量以等角度逆時針旋轉,其模量為A;矢量起始位置與水平周夾角為,任意時刻與水平周夾角為ωt 。此時,旋轉矢量在坐标上的投影為簡諧函數,如在縱坐标投影為:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)7

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)8

而水平坐标投影為:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)9

與簡諧振動方程①比較可見,

旋轉矢量的模A正是簡諧振動的振幅X,

旋轉矢量的角速度是簡諧振動的圓頻率ω,

旋轉矢量與水平軸的夾角是簡諧振動的相位角

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)10

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)11

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)12

3.簡諧振動的複數表示方法

簡諧振動也可以用複數表示,

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)13

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)14

Z=A(cosθ isinθ) ⑥

可見,複矢量的虛部與實部均為簡諧函數,即

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簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)17

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)18

根據歐拉公式

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)19

簡諧振動可用複數表示為

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)20

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)21

為方便起見,在振動分析中通常将式⑧中的虛部或實部符号省略,這樣簡諧振動的複數表達式可以寫成:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)22

将幅角表達式代入,變為

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)23

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)24

複變函數以指數形式運算,通常比較簡便。假設已知兩個複變函數為:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)25

則這兩個複變函數的乘積、商和乘方法則如下:

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)26

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)27

簡諧振動的數學表現(簡諧振動及其表示方法)28

簡諧振動若采用複數指數的表達式,通常會給分析運算帶來極大的方便。

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