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Meccanica 14 19 aprile 2011 Oscillatore armonico, energia meccanica Oscillatore smorzato Oscillatore forzato. Risonanza. Fattore di qualita`

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Presentazione sul tema: "Meccanica 14 19 aprile 2011 Oscillatore armonico, energia meccanica Oscillatore smorzato Oscillatore forzato. Risonanza. Fattore di qualita`"— Transcript della presentazione:

1 Meccanica aprile 2011 Oscillatore armonico, energia meccanica Oscillatore smorzato Oscillatore forzato. Risonanza. Fattore di qualita`

2 Oscillatore armonico Abbiamo visto diversi sistemi che si muovono di moto armonico –Un punto sotto lazione di una molla, il pendolo, il pendolo di torsione Altri sistemi fisici presentano grandezze che seguono la stessa legge oraria –Solidi elastici, fluidi, circuiti elettrici, campi elettromagnetici –Strutture meccaniche che si allontanano di poco dallequilibrio, per cui le forze di richiamo sono lineari rispetto agli spostamenti 2

3 Oscillatore armonico Tutti questi fenomeni sono regolati da equazioni (in generale più duna) del tipo Ove le k sono opportune grandezze che caratterizzano il sistema e le pulsazioni k 2 sono costanti che dipendono dai parametri del sistema 3

4 Oscillatore armonico Le soluzioni di queste equazioni sono Ove le ampiezze A k e le fasi k sono costanti calcolabili conoscendo le condizioni iniziali 4

5 Energia delloscillatore armonico Riferiamoci al caso particolare del punto materiale sotto lazione della forza elastica F=-kx Questa forza è conservativa, quindi lenergia meccanica si conserva. Verifica: 5

6 Energia delloscillatore armonico Poiché abbiamo Che è costante nel tempo Possiamo riscrivere K e U in termini di E I valori medi su un periodo sono 6

7 OA smorzato da forza viscosa Loscillatore armonico sia smorzato da una forza viscosa, cioe` proporzionale e opposta alla velocita` Lequazione del moto e` omogenea e ha forma Detto il coefficiente di smorzamento e la pulsazione naturale, leq. si puo` riscrivere 7

8 OA smorzato da forza viscosa Per risolvere questa equazione, studiamo le soluzioni delleq. algebrica associata (EAA) Queste sono Abbiamo tre casi, a seconda del valore del discriminante 8

9 OA smorzato da forza viscosa Casosmorzamento forte, le soluzioni dellEAA sono entrambe negative La soluzione generale deleq. differenziale e` A e B si determinano specificando le condizioni iniziali 9

10 Casosmorzamento debole, le soluzioni dellEAA sono complesse coniugate La soluzione generale deleq. differenziale e` OA smorzato da forza viscosa 10

11 Usando la formula di Eulero e ridefinendo le costanti, abbiamo Ove C e si determinano specificando le condizioni iniziali La soluzione e` una sinusoide smorzata esponenzialmente. Si definisce lo pseudoperiodo e in un tempo T lampiezza si riduce di OA smorzato da forza viscosa 11

12 Casosmorzamento critico, le soluzioni dellEAA sono negative e uguali La soluzione generale deleq. differenziale e` A e B si determinano specificando le condizioni iniziali OA smorzato da forza viscosa 12

13 Proprieta` asintotica In tutti e tre i casi la soluzione tende a zero per tempi sufficientemente grandi Cioe` la soluzione generale delleq. omogenea soddisfa 13

14 OA forzato Il moto di un OA si puo` rendere persistente, in presenza di attrito viscoso, applicando una forza esterna sinusoidale Lequazione del moto diviene non omogenea La pulsazione della forza,, e` in generale diversa dalla pulsazione naturale 14

15 OA forzato Nella teoria delle eq. differenziali si dimostra che la soluzione generale delleq. non omogenea e` somma della soluzione generale delleq. omogenea e di una soluzione particolare delleq. non omogenea Cerchiamo allora se esiste una soluzione particolare di forma sinusoidale con pulsazione uguale a quella della forza esterna e dipendente da due parametri da determinare A e 15

16 OA forzato Inserendo la soluzione di prova nelleq. differenziale, eseguendo le derivate, sviluppando seni e coseni e raggruppando, otteniamo Leguaglianza deve valere ad ogni tempo e questo puo` accadere se e solo se le espressioni in parentesi quadre sono entrambe nulle 16

17 OA forzato Dalla seconda ricaviamo il valore di Per evitare la singolarita` della tangente in ridifiniamo la fase: 17

18 OA forzato Avremo allora 18

19 OA forzato Da cio` si ricava il valore di A Abbiamo cosi trovato la soluzione particolare cercata 19

20 OA forzato Caratteristiche della soluzione particolare della funzione spostamento: –ha la pulsazione della forza esterna, non quella naturale –e` sfasata rispetto alla forza –ampiezza e fase dipendono dalla pulsazione esterna –ampiezza e fase non dipendono dalle condizioni iniziali 20

21 Soluzione generale Abbiamo visto che la soluzione generale delleq. non omogenea si scrive E che la soluzione generale dellomogenea tende a zero per tempi sufficientemente grandi Quindi per tempi grandi la soluzione generale della non omogenea si riduce alla soluzione particolare 21

22 Risonanza Cerchiamo il valore di che rende massimo il valore assoluto dellampiezza Se il massimo si ha per E vale Se allora e A M tende allinfinito, cioe` piu` piccolo e` lo smorzamento, piu` la pulsazione di risonanza e` vicina alla pulsazione naturale, maggiore diventa lampiezza massima o di risonanza 22

23 Potenza La potenza istantanea e` La media temporale della potenza e` Il cui massimo si ha per la pulsazione naturale 23

24 Larghezza di risonanza E` definita dalle due pulsazioni per cui la potenza media e` meta` della potenza media massima Si ottengono due equazioni quadratiche in, le cui due soluzioni accettabili sono La larghezza di risonanza e` 24

25 Fattore di merito E` definito come E` tanto maggiore quanto piu` stretta (cioe` migliore) e` la risonanza 25


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