Mechanik III MECHANIK III © chager - Version 1.0 K R A F T G E S ET Z E SÄ T Z E REIBUNG (COULOMBSCHE) translatorisch ̇ ̈ ∑ H A F T R EIB U N G D R A L LS A T Z ̇ ) ( ) ( )[ ] ] Geschwindigkeit: ̇ ( )[ ] ̇( ) [ ] Beschleunigung: ̈ ( )[ ] ̈( ) [ ] immer bezüglich ⏟ ̇ ruhenden Punktes ) ( ) Satz von Steiner: immer im Schwerpunkt, Trägheitsmomente Scheibe / Zylinder ∑ ∑ ∑ ∑ Besser als Drallsatz bei Bewegungen um einen Punkt Kein „Drallsatz für “, da allg. in Bewegung VO R G EH E N Abstand ) ( Stab / Platte Kugel | | : Haftreibungszahl Nur Bedingung keine Gleichung! immer tangential zur Kontaktebene G L E IT R E IB U NG | | ̇ G EL EN K R E IB U N G Führt zu einem Moment im Lager H A F TR EI B U NG ̇ Ideale Bindung Typ Stange ist ̇ A UF G A B EN 1. Freischneiden pro Starrkörper Für jede Bewegungsmöglichkeit eine Variable einführen 2. Impuls- und Spinsätze aufstellen 3. Kinematik anwenden (Geometrie: Randbedingung, Rollbedingung, Verbindungen Typ Stange) 4. Kraftgesetze für Federn und Dämpfer verwenden 5. Zwangskräfte eliminieren 6. Gesuchtes berechnen Wirken keine Kräfte und Momente an einem Starrkörper so sind Geschwindigkeiten konstant SY ST EM E Haftreibung: Typ Stange Rollen ohne Schlupf: Typ Stange Gleitreibung: Typ Dämpfer KO NS ER V A TI V Ein System heisst konservativ, falls alle an den einzelnen Starkörpern angreifenden äusseren Kräfte Potentialkräfte sind. Es gilt die Energieerhaltung Darf keine dissipativen Elemente haben (Dämpfer, Reibung) ( ) Keine externe Kraftanlegung ( ) Alle Kräfte vom Typ Stange, Feder : Gleitreibungszahl | | ist der Bewegung entgegen gerichtet Keine Bedingung sondern Gleichung! ̈ ̇ ̈ Vorsicht in welche Richtung defioniert ist! → Positiv wenn Feder/Dämpfer auseinander gehen (Zug) aus + gilt √ | | | | G L EI TR EI B U NG LÄ NG S LA G ER | | K I N E TI S C H E E NER G I E ( ̇ ) ( ̇ ) ( ̇ ̇ ̇ ) ̇ Freier Fall: P O T E NTI E L LE E N ER G I E Feder, Torsionsfeder: S EIL R E IB U NG Seil um Zylinder oder Welle: R OL L R E IB U N G | | | | Rollreibungslänge, Beginnt Rad zu rollen wird daraus eine Gleichung RUHE, RESP GGW ) Lage: E NER G I E ER H A L TU NG F ÜR K O NS ER V A TI V E S YS T EM E ( . Da G L EI TR EI B U NG Q U ER LA G ER EN ER G I E Nur wenn System konservativ ( Ring / Hohlzylinder ) Linearer Dämpfer dissipatives Kraftelement und 2. Differenzieren nach Zeit ̇, ̇ 3. Mit Impuls- und Drallsatz gleichsetzen M A SS E NT R ÄG H E IT SM OM EN T ∭( ̈ ̈ TH E OR I E 1. Berechnen von ̇ ⏟ ( ̈ S P I NS A T Z D IF F ER E NZ I AL B EZ I EU NG E N Beschreibung Körper: über SP mit Ortsvektor mit Ausrichtung ( ) [ IM P U L S U ND D R AL L Impuls: ̇ Ist eine dissipative Kraft äussere Kräfte (inkl. Eigengewicht) VE K T O R E N Kreuzprodukt im ( rotatorisch Lineare Feder konservatives Kraftelement I M P U LS S A TZ Dr. R. Leine, ETHZ GRUNDLEGENDE KONZEPTE Drall: ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 Ruhe herrscht wenn: ̇ ̈ G G W - LA G E mit und ̃ → ( ̃) bleiben gleich → ( ) ohne Terme PHASENPORTRAIT PENDEL ) D I F F ER E NTI A LB EZ I EH U N G E N ∫ ∫ ∫ R OL L B ED I O NU NG Kugelschale ̇ ̇ ̇ BEMERKUNGEN ̇ Überschlag K O OR D I N A T EN S Y S T E M E Bei Impuls/Spinsätze muss und damit Vorzeichen positiv. Scheibe D IF F ER N EZ I ER EN Vorsicht bei Ableiten: Punkt Boden hat immer Kraft 25. Januar 2012 ( ) GGW-Lage Normal in gleiche Richtung zeigen ( ) ̇ , Vorsicht bei Bewegungen des Bodens S e i t e |1 Christoph Hager Mechanik III ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 [ U NT ER K R I TI S C H G ED Ä M P F TE S C H W . ( ) mit (komplex konjugierte EW) Pseudofrequenz LINEARE SCHWINGUNG G R U ND G L EI C H U NG Bewegungsgleichung: : Masse : Dämpfung : Steifigkeit ̈ ̇ ( ) ( ) ̂ ( ) ] ( ) → [ ( ) ( ist nicht periodisch ( G R E NZ F A L L B EI S P I E LE ) ( ) ( langsame Anregung, keine Vergrösserung ) ( ) ( ( ) √ )] ) ( ) Phasensprung: ( Resonanzamplituden werden → Bämmm! (Ansatz für diese Lösung nicht gültig) ) Logarithmisches Dekrement: ( ) ( √( ) ) √ Krafterregung: ( ) Wegerregung: ( ) √ V ER LA U F D ER EI G E NW ER T E NA C H D Ä M P F U NG Parameter in Praxis bestimmen: → Ausschwingversuch: ( ) ̈( ) Substitutionen Dämpfungswert [ ] √ Eigenkreisfrequenz [ ] ( ) dim-lose Zeit √ Lehrsche Dämpfung [ ] K R I TI S C H E D Ä M P F U NG ( ) Z EI TK UR V E N NA C H D Ä M P F U NG ( ) normierte Erregerfunktion [ ] ( ) Neue DGL: A L L G EM EI N E L Ö SU NG ( ) : System asymtotisch stabil → → Homogene klingt ab → Für oder : ( ) ( ) ( ̇ ) H OM OG E NE L Ö SU N G ̈ EI G E N W ER T E ̇ [ √ ( ] ) ( ⏟ )( ) ] ) Frequenz [ ] P A R T IK U L Ä R E L Ö SU NG Beschränkung in Mech III auf harmonische Anregung: ̂ ( ) ̈ ̇ (geht auch mit Sinus) Periode U NG E D Ä M P F T E S C HW I NG U NG ( ) ( ) ( ( ( ) (Erregung) ) √ ( [ ( ) ) ( ÜB ER K R I TI S C H E D Ä M P F U NG ( mit ) Phasenverscheibung ( ) ( ) ( ( ̂ ) ) ) ̂ , , Frequenzverhältnis ̂ ( ) P A R TI K U LÄ R E L ÖS U NG ̂ ( ) ( ) : System Grenzstabil → → Homogene klingt nicht ab Fall A Schwebung (Resonanznähe) , → Langsame zeitveränderliche Amplitude Fall B Resonanz (eig. ): ( ( )) A M P LI T UD E N UN D P H A S E NG A NG Amplitudengang: Phasengang: ( ( ) ) √( ̂ ̂ ) ( ) → Betrachte Eingangs/Ausgangssignal; Gänge stellen Amplitudenverstärkung und Phasenveränderung dar 25. Januar 2012 S e i t e |2 Fall A ( ) ( Ansatz Resonanz: Einfache Lösung: ( ) Fall B ̂ Harmonische Anregung: ̂ ( ) ( ) ( ) ) Christoph Hager Mechanik III A L LG EM EI N ES V OR G E H EN 1. DGL mit Ansatz: ̈ ̇ 2. Eigenwerte bestimmen: ( ) 3. Eigenvektoren und Basislösung bestimmen LINEARE SCHWINGUNG AL L G EM EI N E ST R U K T U R System mit Freiheitsgraden: ̈ ̇ ) ̇ ̈ ( → lineare DGL 2. Ordnung Matrizen ( ( ) ) ( ) Massenmatrix (invertierbar) Dämpfungsmatrix (sym) ) ( ) ( ) ( 4. Gyromatrix (asym) Steifigkeitsmatrix (Federn, Zentrif.) ) Matrix zirkl. Kräfte (Rakete) ( ) 5. 6. ZUS TA ND S G L EI C HU NG ( D IA G ON A L IS I ER U NG F Ü R M K Die Matrizen und werde durch die Matrix der „EV“ [ ( ) ( ̇) ) ( ̇ ̇ ( )) ( ) 7. PD, ) ( ( ) ( ( ( ( ); ) 4. Anfangsbedingungen bestimmen Koeffizienten ( ) ( ) ) Lehrsche Dämpfung der einzelnen Grössere Eigenwerte → grössere Frequenz → grössere ST A B IL IT Ä T M D K G N ( ) heisst Das System ̇ Asymptotisch Stabil (linear) ‖ ( )‖ ‖ ( )‖ ( ) wenn also Instabil wenn wenn auch nur 1 ̇ ̇ ̇ Mit EW und EV: (Gültigkeit nur für Symmetrische ?) ( ) ( ( ) ) ( ) () müssen hier nicht normiert sein wegen Koeffitenten Neues Gleichungssystem: ̇ ̇ ̇ B EG R IF F E Vektoren für die gilt heissen Massenorthogonal Matrix der „EV“ beim M-K-System heisst Modalmatrix, Matrix der Moden, Eigenformen Koordinaten heissen Hauptkoordinaten oder Modalkoordinaten Die geom. Schwingungsform, die über den i- ten „EV“ beschrieben wird heisst i-te Eigenform „EV“ gibt an, in welchem Koordinatenverhältnis sich das System in der i-ten Basislösung bewegt wenn Diagonalisieren, einsetzen: Ansatz aus Analysis: entkoppelten Gleichungen ist unterschiedlich ) Alle Gleichungen sind gekoppelt ̇ ( ) ( mit ) ( ̇ ) ) Idee: Analog: , → - von gerader Vielfachheit 0 (ungefesselt) HA U P T V E K T OR E N ( 2. OR D NU NG ) Wenn m-facher EW: ( ) ( ) Somit Basisfunktion: ( ) ( ) ( ) ̈ M A TR I X Symmetrisch, wenn Schiefsymmetrisch, wenn Positiv definit PD, wenn Positiv semidefinit PSD, wenn Matrix regulär , A invertierbar und Spalten (Zeilen) linear unabhängig Matrix singulär , A nicht invertierbar und Spalten linear abhängig TR A NS F OR M A TI O NS M E TH O D E Problemstellung: ̇ Matrix U der „EV“ des zugehörigen M-K-System OHNE Dämpfung diagonalisiert das M-D-K-System, wenn D gemäss Bequemlichkeit gewählt wird ( ) bei mehrfachen EW: ( ) ( ) Basislösung: ( ) → EW sind entweder - paarweise konjugiert imaginär (Schwingung)oder → ̈( ) M - D - K - SY ST EM N A C H B EQ U E M L I C H K E IT Dämpfung oft sehr schwer bestimmbar daher: Hypothese: ( ) ) … ( ) ̈ ̈ V OR G E H E N 1. DGL mit Ansatz: ̈ Eigenwerte bestimmen: ( ) 2. Eigenvektoren und Basislösung bestimmen ( { } → entkoppelte Gleichungen Also: : PSD . 3. Homogene Lösung: ( ) ( ̈ { } M - K - S Y ST EM ̈ T H E OR I E Z W EI T ER U ND ER ST ER O R D NU NG { } { } Die f „EV“ sind linear unabhängig → ist regulär, invertierbar, Bildet Eigenbasis, M OD A L L OOR D I NA T E N ( ) → Es gibt: ( ) ̈( ) ( ) zu: So wird ̈ ( ) ( ) Basislösung: ( ) Homogene Lösung: ( ) ( ) Partikuläre Lösung: Ansatz der Rechten Seite → ( ) Allgemeine Lösung Bei Winkelfunktionen: √ Anfangsbedingungen bestimmen Koeffizienten L IN A L G ] diagonalisiert: ( ) bei mehrfachen EW: : , PD, ( ( ̇) ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 ( ) Rücktransformieren mit: ( ) Koeffizienten können mit Anfangsbedingungen bestimmt werden V OR G E H E N 1. Eigenwerte bestimmen → ( ) ( ) 2. Eigenvektoren bestimmen → ( ( ) ) 3. Allgemein Lösungsansatz für ̇ verwenden Siehe auch Analysis Quickrezepte 4. Rücktransformieren 5. Koeffizienten mit Anfangsbedingungen bestimmen IN H OM O G E N E D IF F ER ENT I A L G L I EC H U NG E N Problemstellung: ̇ , konstant ( ) Allgemeine Lösung: ( ) ( ) Lösung homogene DGL: → siehe Transformationsmethode Lösung partikuläre DGL: Suche irgendeine Lösung der inhomogenen DGL: ̇ regulär Ansatz: ̇ In Grundgleichung einsetzen: wenn also auch nur 1 oder t-beschränkten Termen und Grenzstabil sonst: ( ) 25. Januar 2012 S e i t e |3 Christoph Hager Mechanik III ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 WELLENGLEICHUNG C H AR A K T E R I ST IK SC H A R E N Sind Scharen von parallelen Geraden in der - Ebene: W EL L E NG L E IC H U N G IN 1 D H A L B U NE ND L IC H E K ÖR P E R → Halbunendlich: Körper hat nur ein Rand Allgemein: ( ) (⏟ ) (⏟ ) A L LG M EI N ( ) ( ) Wobei Wellengeschwindigkeit ⁄ Luft: ⁄ (längs) ⁄ (Torsion) Stahl: ⁄ Licht: → Mechanische Systeme sind mathematisch Identisch: S A I TE Auf diesen Geraden haben die Wellenfunktionen denselben Wert und immer ( ) ( ) ( ) ( ) R EF L E X I ON A M EI NG ES P A N N T EN E ND E ST EH E ND E W EL L EN ( ) ( ) → Wenn gilt: ( ) Ortsfunktion ( ) (resp. Amplitudenform, Form der Welle) Zeitfunktion ( ) (zeitliches Pulsieren) ( ) S EP A R A TI O NS A N S A T Z NA C H B ER N O UL LI ( ) ̈( ) ( ) ( ) D Ü N NER S TA B Lösung: ( ) T OR S I O NS S TA B ( ) ( ( ) ) Somit: A L LG EM EI N E L ÖS U NG NA C H D ’A L L EM B ER T ( ) ( ) ⏟( ) ⏟( ( ) ) Betrachtung der Ebenen: Ebene A, : Ebene B, : Beziehung: ( ) ( ( ( ) ) ⁄ ( ) ( ) ( ( ) ) ) UM R E C H N U NG S P A N NU NG - G ES C H W I ND I G K EI T B EI S P I E L A US B R EI T U NG W E L LE A U F S A I T E → Die tatsächliche Gestalt von RB festgelegt und wird erst durch AB und Z U S AM M E NG E SE T Z E K ÖR P ER → RB für Längsdynamik ( ( ) RB: keine Aufgabe: für geg. Rechtswelle → Suche res. Linkswelle ( ) ( ) RB: ( ) ( ) → ( ) ( ) → ( ) beliebig Auslenkung: ( ) ( ) ( ) ( ) Spannung: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) → Auslenkung verschwindet → Spannung verdoppelt sich ) ∑ ̃ ⏟ ( ̃ Wobei ̃ Weiter gilt: → Wellenzahl: ) ( ⏟ ) durch AB und RB bestimmt werden → Wellenlänge: A NW E ND UNG M I T R B B EI S T E H E ND E N W E L LE N ( ) ∑ ( ) ( ) Führt zu Superposition aller -ten Eigenformen: ( Mit ) ∑ ⏟ ( ) ( ) als aus AB zu best. Konstanten (Lage + Geschw) R EF L E X I ON A M F R EI E N E ND E Einspannung Eigenfrequenzen Wellenzahlen frei-frei / fest-fest frei-fest ( ( ) ) Wellenlängen ( ) RB: keine Aufgabe: für geg. Rechtswelle → Suche res. Linkswelle ( ) ( ) RB: ( ) ( ) → ( ) ( ) → ( ) beliebig Auslenkung ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Spannung ( ) ( ) ( ) ( ) → Auslenkung verdoppelt sich → Spannung verschwindet 25. Januar 2012 S e i t e |4 Christoph Hager Mechanik III PHYSIK 1X1 ROLLEN ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 DIVERSES SCHWINGUNGE N DIVERSES ZU WELLEN Z E IT G E G E N U ND E ND L IC H : nur betrachten F EL D ER Verschiebungsfeld: Dehnungsfeld: Verschiebungsfeld: D IA G NO A L IS I ER U NG S - G EB IT SC H E ( ) [ ] [ ] [ ( ) Allgemein: ( [ [ ) ] ] oder ) ) ) Charakteristiken: ) , Homerun-Formel: → Entweder ( ( P ER I OD E ] ( Für ( berechnen, anderes über B EW E G U NG F EST G EL E G T → Finde Beziehung zwischen Koordinaten → Bewegung entspricht einem Vektor → Dieser ist Gleichzeitig ein Eigenvektor → Somit müssen Parameter der Matrizen Gleichung erfüllen: [ ] → bestimmen und gesuchter Parameter eruieren meistens NEB E NB ED I NU NG E N ( ) AB: ( ) RB: frei: fest: ( ) Frei/Fest und AB entscheiden über Vorzeichen Koeff: () → Bestimmt ob ( ) oder L IN E A R ER A N S A T Z Aufteilen der Funktionen entlang Stetigkeit Bereich I: ( ) Bereich II: ( ) ( ) Bereich III: ( ) ( ) IN V ER S E ( ) ( ) ( ( ) ( ) Ansatz für Linkswelle: ( ) Mit RB und Stetigkeit entlang Charakteristik ) Z AH L E NW ER T E √ bestimmen √ √ √ √ √ Q UA D R A T E NI C E T O K N OW Spinsatz kann überall am Körper gemacht werden Am besten beim Rollen-Fusspunkt → keine ist überall am Körper gleich Impuls funktioniert auch bei Rad (für Unbek, Auflagerkräfte) Manchmal hat neben auch Einfluss auf Federn/Dämpfer 25. Januar 2012 11 121 12 13 14 15 16 17 18 19 20 144 169 196 225 256 289 324 361 400 S e i t e |5 Christoph Hager Mechanik III T R IG O N OM E T R ISC H E F U N K T I ON E N Einheitskreis Aus Geometrie: H YP ER B OL I SC H E U ND A R E A - F U NK T I ON E N A NW E ND U NG ( ) ( ( ) ( A . D G L - K O NS T. K O EF F . , H OM OG E N 1. Charakteristisches Polynom ( ) eruieren. ( ) Bsp.: ) ungerade ) gerade ( ) ( ) ( ( √ √ ( ) ) ) ( Cosinussatz: Flächensatz: ( ) ⁄ √ ⁄ √ ⁄ ( ) √ ⁄ √ ⁄ ⁄ ( ) √ ⁄ B EZI E HU NG E N ( ) ( ( ) ( ) ( ) √ √ { ( ) und Graf ist immer ( ) K O OR D I N A T ENT R A N SF OR M A T I O N Sphärisch Zylindrisch ( ) √ √ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( )) ) ( ) ( ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) S P HÄ R I S C H ( ) Kartesisch ( ) ( ) ( ( )) 25. Januar 2012 DGL ( ) ) ) ( ) ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ̈ ( ) ̈ ( ) ( ) ( ) ̈ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) MITTERNACHTSFOMREL W I N K E LB EG R I F F E Zylindrisch ( ) ( )] Lösung ̈ ( ) ( ) ist p-fache Lösung von ( ): [ ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) 2. ) QUICKREZEPTE = ( ) )) ( ) ist keine Lösung von ( ) ( ) ( T IP P S Ist erst ab n-ter Ableitung vorhanden, Substitution zu ( ) Beginn mit ( ) ( ) Sind und nicht vorhanden: DGL mit multiplizieren kürzt sich häufig weg W I N K E LF U NK TI O NE N EX P ) 1. Ist Lösungsansatz bereits eine Lösung der homogenen DGL Ansatz mit multiplizieren. Ansatz gilt auch wenn Störfunktion konstanten Faktor hat. ( ) muss eine Lösung des homogenen DGL sein; Ansatz ist richtig wenn GLS eindeutig lösbar ist. ( ) ( ) so ist Ist ( ) ( ) ( ) so ist Ist ( ) √ ( ) ( ] Sphärisch Kartesisch ( ) ( [ ZY LI ND R I S C H W I N KE L ) ( ) ) Winkelfunktion ( ) ( ) ( )) ( ) TH E OR EM E ( ) ( ) ( 2. Nach auflösen D . D G L - 1. OR D N U NG , I N H O M OG E N 1. Zuerst homogene DGL lösen ( ) Vorgehen wie bei C 2. Variation der Konstanten anwenden: 3. Lösung: √ ( ( ) ( ) ) ] Die partikuläre Lösung entsteht durch wobei die Konstante durch ( ) ersetzt wird(Siehe auch Tabelle). wird in die inhom. DGL eingesetzt und kann berechnet werden. KA R T ES I S C H ) [ C . D G L - 1. OR D N U NG , H OM OG EN 1. Da DGL separierbar Separation der Variablen: ( ) ( ) ( ) ∫ ( ) ∫ ( ) √ ( ) ( ) √ Areafunkton weil: Fläche unter ( ) ) ( 1. ist keine Lösung von ( ): 2. ist p-fache Lösung von ( ): )) B . D G L - K O NS T. K O EF F . , I N H OM O G E N 1. Zuerst homogene DLG lösen ( ) Vorgehen wie bei A 2. Betrachte Störfunktion ( ) siehe Tabelle mit Störfunktionen 3. Ansatz für partikuläre Lösung in inhomogene DGL einsetzen und Koeff. Bestimmen 4. Lösung: √ Zur Hyperbel: ( ) ) ( ( ( ) ( √ √ ) 3. Lösung: Lineare Funktion Exponentialfkt. ( ) ) o R-fache komplexkonj. Lösung ( ) ( ( ( ) B EZI E HU NG E N ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Lösungsansatz Konst Funktion Polynom Grad n o Einfache komplexkonj. Lösung ( ( ) ( ( ) W ER T E T A B EL L E Störfunktion ( ) ) o P-fache reelle Lösung ( ( ) Sinussatz: Wenn rechtwinklig: ST ÖR F U NK T I ON E N Für lineare DGL mit konst. Koeffizienten 1. und 2. Ordnung 2. Jedes der NS von ( ) gibt ein Summenglied der Lösung: o Einfache reelle Lösungen ( ) ( ) ( ) ( ) D A S D R EI C K ETHZ – BAUG - HS 2011 Klausur 1 // Block 1 ) ( mit ( ) S e i t e |6 √ √ ) ( ) ( ) BEFRIFFE Statik: Kinetik: Dynamik: Kinematik: Kräfte im unbewegten System Änderung Bewegungsgrössen infolge Kräfte Statik + Kinetik (Wirkung von Kräften) Beschreibung der Bewegung Christoph Hager