Getaran mekanikal: soalan latihan dengan penyelesaian langkah demi langkah

Soalan latihan Getaran mekanikal percuma dengan rajah, petunjuk dan penyelesaian lengkap. Nilai baharu setiap kali, pada tiga tahap: frekuensi tabii, nisbah redaman, spring secara siri dan selari.

Soalan latihan percumaMudah
kmδst​ = 15 mmtanpa beban

Sebuah mesin terletak pada pelekap spring, yang termampat sebanyak 15 mm di bawah beratnya. Anggap ia sistem darjah kebebasan tunggal tanpa redaman dan gunakan g = 9.81 m/s². Cari frekuensi tabii fn getaran menegak dalam Hz.

δst = 15 mmg = 9.81 m/s²
Hz
Soalan seterusnya →
Berlatih Getaran mekanikal secara percumaBerlatih Getaran mekanikal sekarang5 soalan percuma setiap hari. Tiada kad diperlukan.

Apa yang anda latih

  1. Mudahfrekuensi tabii
  2. Sederhananisbah redaman
  3. Sukarspring secara siri dan selari

Formula utama

Frekuensi tabii
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Daripada pesongan statik
ωn = √(g/δst)
Redaman genting
cc = 2√(km) = 2mωn
Nisbah redaman
ζ = c/cc
Frekuensi teredam
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Penyusutan logaritma
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Spring secara selari
k = k1 + k2
Spring secara bersiri
1/k = 1/k1 + 1/k2

Pelajari Getaran mekanikal dari awal

Sebelum ini: Spring & bandul

1Apakah getaran

Gantungkan jisim pada pegas, tarik sedikit ke bawah dan lepaskan. Ia melantun naik dan turun di sekitar kedudukan rehatnya. Gerakan berulang itu ialah getaran.

Setiap sistem sedemikian mempunyai rentak kegemarannya sendiri, frekuensi tabii. Ia hanya bergantung pada kekakuan pegas dan berat jisim, bukan pada seberapa jauh anda menariknya.

kmx

Jurutera mengambil berat kerana mesin yang digoncang pada frekuensi tabiinya boleh bergetar dengan kuat. Ini dipanggil resonans. Penyangga enjin, mesin basuh dan jambatan semuanya direka dengan mengambil kira perkara ini.

Pegas yang lebih kaku menjadikan getaran lebih laju. Jisim yang lebih berat menjadikannya lebih perlahan.

Semakan kendiri Anda menggantikan jisim pada pegas dengan satu yang empat kali ganda lebih berat. Apakah yang berlaku kepada frekuensi tabii?
  1. Ia kekal sama
  2. Ia menjadi dua kali ganda
  3. Ia menjadi empat kali lebih rendah
  4. Ia menjadi separuh

Jawapan: Ia menjadi separuh. Frekuensi bergantung pada √(k/m). Jisim empat kali ganda membahagi punca kuasa dua dengan √4 = 2, jadi frekuensi menjadi separuh.

2Frekuensi tabii dan gabungan pegas

Bagi jisim m (kg) pada pegas berkekakuan k (N/m), frekuensi bulat tabii dalam rad/s ialah:

ωn = √(k / m)

Satu kitaran penuh ialah 2π radian. Jadi frekuensi tabii dalam hertz (kitaran sesaat) dan tempoh (saat setiap kitaran) ialah:

fn = ωn / (2π) T = 1 / fn

Kadangkala anda hanya tahu seberapa jauh pegas melendut di bawah berat, pesongan statik δst = m·g/k. Maka ωn = √(g / δst), dengan δst dalam meter.

Apabila terdapat beberapa pegas, gantikannya dahulu dengan satu pegas setara:

k1​k2​mk1​k2​mk = k₁ + k₂1/k = 1/k₁ + 1/k₂
  • Bersebelahan (selari), pegas berkongsi beban dan kekakuan ditambah.
  • Hujung ke hujung (siri), setiap pegas menanggung beban penuh, dan pegas setara adalah lebih lembut daripada mana-mana satu.
Semakan kendiri Dua pegas 10 kN/m setiap satu disambung hujung ke hujung (dalam siri). Apakah kekakuan setara?
  1. 10 kN/m
  2. 100 kN/m
  3. 20 kN/m
  4. 5 kN/m

Jawapan: 5 kN/m. 1/k = 1/10 + 1/10 = 2/10, jadi k = 5 kN/m. Menambahnya kepada 20 kN/m ialah peraturan untuk pegas dalam selari.

3Redaman

Getaran sebenar semakin pudar. Peredam (omboh yang bergerak melalui minyak, seperti penyerap hentak kereta) mengeluarkan tenaga. Kekuatannya ialah pekali redaman c dalam N·s/m.

kcmx

Redaman genting ialah jumlah redaman yang tepat menghalang jisim daripada melantun sama sekali:

cc = 2 · √(k · m) = 2 · m · ωn

Nisbah redaman membandingkan redaman sebenar dengan nilai genting itu:

ζ = c / cc
  • ζ < 1: kurang teredam. Jisim masih bergetar, tetapi ayunannya mengecil.
  • ζ = 1: teredam genting. Ia kembali ke keadaan rehat secepat mungkin tanpa terlajak.
  • ζ > 1: lebih teredam. Ia kembali perlahan-lahan tanpa bergetar.

Sistem kurang teredam bergetar sedikit lebih perlahan daripada yang tidak teredam, pada frekuensi tabii teredam:

ωd = ωn · √(1 − ζ²)
Semakan kendiri Jisim 10 kg berada pada pegas 1000 N/m dengan peredam c = 50 N·s/m. Apakah nisbah redaman?
  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 2.5
  4. 4

Jawapan: 0.25. cc = 2·√(1000 · 10) = 200 N·s/m, jadi ζ = 50/200 = 0.25. Terlupa faktor 2 memberikan 0.5, dan membahagi secara terbalik memberikan 4.

4Kaedah langkah demi langkah

  1. Tukarkan semuanya kepada unit SI: kN/m kepada N/m (× 1000), mm kepada m, gram kepada kg.
  2. Jika terdapat beberapa pegas, gabungkannya menjadi satu k: tambah dalam selari, tambah salingan dalam siri.
  3. Cari ωn = √(k/m) dalam rad/s.
  4. Jika soalan meminta hertz, bahagi dengan 2π: fn = ωn/(2π). Untuk tempoh, ambil T = 1/fn.
  5. Dengan redaman, cari cc = 2·√(k·m), kemudian ζ = c/cc dan, jika ditanya, ωd = ωn·√(1 − ζ²).

Pisahkan ω (rad/s) dan f (Hz). Ia berbeza dengan faktor 2π ≈ 6.28, dan mencampuradukkannya ialah cara yang paling lazim untuk kehilangan markah.

5Contoh terselesai

Ikuti setiap langkah. Cuba ramalkan langkah seterusnya sebelum anda membukanya.

Contoh terselesai

Jisim 50 kg tergantung pada pegas berkekakuan 20 kN/m. Abaikan redaman. Cari frekuensi tabii fn dalam Hz dan tempoh getaran.

1

Lukis dan tukar

20 kN/m50 kgx

Kekakuan mesti dalam N/m: k = 20 kN/m = 20 000 N/m. Jisim sudah dalam kg.

2

Frekuensi bulat tabii

ωn = √(k / m) = √(20 000 / 50) = √400 = 20 rad/s
3

Tukarkan kepada hertz

Bahagi dengan 2π untuk mengira kitaran penuh sesaat:

fn = 20 / (2π) = 3.18 Hz
4

Tempoh

T = 1 / fn = 1 / 3.183 = 0.314 s

Jisim membuat sedikit lebih daripada tiga kitaran naik-turun penuh setiap saat.

5

Semak jawapan

Pesongan statik ialah δst = m·g/k = 50 · 9.81 / 20 000 = 0.0245 m.

ωn = √(9.81 / 0.0245) = 20 rad/s

20 rad/s yang sama, diperoleh dengan cara yang berbeza. Jawapannya betul.

6

Melangkah lebih jauh: tambah peredam

Dengan peredam c = 400 N·s/m: cc = 2·√(20 000 · 50) = 2000 N·s/m, jadi ζ = 400/2000 = 0.2.

ωd = 20 · √(1 − 0.2²) = 19.6 rad/s, fd = 3.12 Hz
Jawapan

fn ≈ 3.18 Hz (ωn = 20 rad/s), dan tempohnya ialah T ≈ 0.314 s.

6Kesilapan lazim

  • Memberikan ωn dalam rad/s apabila soalan meminta fn dalam Hz, atau sebaliknya.
  • Membiarkan kekakuan dalam kN/m. Formula memerlukan N/m.
  • Menambah pegas dalam siri seolah-olah ia selari.
  • Terlupa 2 dalam cc = 2·√(k·m).
  • Menggunakan berat m·g dan bukannya jisim m dalam ωn = √(k/m).
Semakan kendiri Jisim 4 kg tergantung pada pegas 400 N/m. Apakah frekuensi tabiinya dalam Hz?
  1. 0.05 Hz
  2. 1.59 Hz
  3. 10 Hz
  4. 62.8 Hz

Jawapan: 1.59 Hz. ωn = √(400/4) = 10 rad/s, dan fn = 10/(2π) = 1.59 Hz. Berhenti pada 10 memberikan rad/s, bukan Hz; mendarab dengan 2π memberikan 62.8; menggunakan 0.4 (kN/m) memberikan 0.05 Hz.

7Rupa soalan peperiksaan

  • Mudah: frekuensi tabii. Jisim pada pegas: cari ωn dalam rad/s atau fn dalam Hz. Sesetengah soalan hanya memberikan pesongan statik mesin pada penyangganya.
  • Sederhana: nisbah redaman. Cari ζ daripada m, k dan c, atau cari frekuensi teredam fd daripada ζ yang diberi. Yang lain memberikan dua puncak daripada ujian getaran bebas.
  • Sukar: pegas dalam siri dan selari, kadangkala kedua-duanya (dua pegas bersebelahan memegang bar, dengan pegas ketiga di bawah). Cari keq dahulu, kemudian fn.

Untuk dua puncak x0 dan xn yang berjarak n kitaran, gunakan penyusutan logaritma:

δ = (1/n) · ln(x0 / xn), ζ = δ / √(4π² + δ²)

Belajar langkah demi langkah dalam aplikasiBelajar langkah demi langkah dalam aplikasi

Contoh penyelesaian

Contoh 1Mudah
k = 15 kN/mm = 40 kgx

Jisim 40 kg tergantung pada spring berkekakuan 15 kN/m. Abaikan redaman. Cari frekuensi tabii fn dalam Hz.

m = 40 kgk = 15 kN/m

Cari nilai fn (Hz)

Tunjukkan petunjuk
  1. Bekerja dalam unit SI: k dalam N/m.
  2. ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π).
  3. k = 15000 N/m.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Frekuensi bulat tabii

ωn = √(k/m) = √(15000/40) = 19.36 rad/s

Dalam hertz

fn = ωn/(2π) = 19.36/(2π) = 3.082 Hz

Jawapan

fn = 3.082 Hz
Contoh 2Sederhana
k = 50 kN/mζ = 0.4m = 10 kg

Jisim 10 kg pada spring berkekakuan 50 kN/m mempunyai peredam likat yang memberikan nisbah redaman 0.4. Cari frekuensi tabii teredam fd bagi getaran bebasnya dalam Hz.

m = 10 kgk = 50 kN/mζ = 0.4

Cari nilai fd (Hz)

Tunjukkan petunjuk
  1. Cari frekuensi tabii tanpa redaman dahulu.
  2. ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π).
  3. fd = fn·√(1 − ζ²).
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Frekuensi tabii tanpa redaman

ωn = √(50000/10) = 70.71 rad/s
fn = 70.71/(2π) = 11.25 Hz

Frekuensi tabii teredam

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11.25·√(1 − 0.4²) = 10.31 Hz

Jawapan

fd = 10.31 Hz
Contoh 3Sukar
k1​ = 80k2​ = 20m = 5 kg

Jisim 5 kg tergantung pada dua spring yang disambung hujung ke hujung (bersiri): spring atas k₁ = 80 kN/m dan spring bawah k₂ = 20 kN/m. Cari kekakuan setara keq sistem spring dalam kN/m.

m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/m

Cari nilai keq (kN/m)

Tunjukkan petunjuk
  1. Spring selari berkongsi pesongan: kekakuan ditambah. Spring bersiri berkongsi daya: kebolehlenturan 1/k ditambah.
  2. 1/keq = 1/k₁ + 1/k₂.
  3. keq < 20 kN/m.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Kekakuan setara

Spring secara bersiri berkongsi daya yang sama dan menambah pesongannya, jadi ia bergabung sebagai salingan: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/80 + 1/20 → keq = 80·20/(80 + 20) = 16 kN/m

Jawapan

keq = 16 kN/m

Soalan dan jawapan

Apakah Getaran mekanikal?

Gantungkan jisim pada pegas, tarik sedikit ke bawah dan lepaskan. Ia melantun naik dan turun di sekitar kedudukan rehatnya. Gerakan berulang itu ialah getaran.

Setiap sistem sedemikian mempunyai rentak kegemarannya sendiri, frekuensi tabii. Ia hanya bergantung pada kekakuan pegas dan berat jisim, bukan pada seberapa jauh anda menariknya.

Bagaimanakah saya menyelesaikan soalan Getaran mekanikal langkah demi langkah?

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Apakah kesilapan lazim dalam Getaran mekanikal?
  • Itu ialah ωn dalam rad/s. Bahagi dengan 2π untuk mendapatkan frekuensi dalam Hz.
  • Tukar kN/m kepada N/m (darab 1000) sebelum menggunakan ωn = √(k/m).
  • Bahagi ωn dengan 2π untuk mendapatkan Hz; jangan darab.
Apakah yang diliputi oleh latihan Getaran mekanikal?
  • Mudah: frekuensi tabii
  • Sederhana: nisbah redaman
  • Sukar: spring secara siri dan selari

Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan. Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.

Cara latihan berfungsi

  • Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.
  • Kemajuan, kesilapan dan soalan tersimpan anda dikekalkan, jadi anda boleh menyemak sebelum peperiksaan.

Topik sebelum dan selepas topik ini

Pelajari dahulu

Kalkulator

Kursus dengan topik ini

Lebih banyak topik dalam Mekanikal

Lembaran kerja boleh cetak

Berlatih Getaran mekanikal secara percumaBerlatih Getaran mekanikal sekarang5 soalan percuma setiap hari. Tiada kad diperlukan.