A kényszerrezgés vizsgálata
A harmonikus rezgés alapvető fizikai jelenség. Vibrációk, oszcillációk harmonikus rezgéssel modellezhetők, ha az amplitúdók elég kicsinyek. A harmonikus mozgás differenciálegyenlete nem csupán a klasszikus fizikában (mechanika, villamosságtan), de a kvantumfizikában, a szilárdtestfizikában és az optikában is gyakran előfordul.
Tartalomjegyzék |
Elméleti összefoglaló
Csillapítatlan rezgések
Ha egy 
tömegű anyagi pontra a kitéréssel arányos, rugalmas erő hat, akkor a mozgásegyenlet
![\[ma=-Dx\]](/images/math/f/b/3/fb30b4da9009aab1cbabab9dff6513fa.png)
alakú, ahol 
a rugóállandó, 
a tömegpont kitérése az egyensúlyi helyzetből, a tömeg, és 
a gyorsulás.
A mozgásegyenlet megoldása
![\[x(t)=A\sin(\omega_0 t+\alpha)\]](/images/math/6/9/8/698d670dcace95562a59318f4bc511f6.png)
ahol 
a (kitérési) amplitúdó, 
a 
időpillanathoz tartozó fázis (mindkettőt a kezdeti feltételek határozzák meg),
![\[\omega_0=\sqrt{\frac{D}{m}}\]](/images/math/6/2/b/62b794d7c5bd9b0793952f4288745739.png)
a csillapítatlan rezgő rendszer körfrekvenciája. (
, ahol 
a megfelelő frekvencia.)
A harmonikus rezgőmozgás sebessége
![\[v(t)=\frac{\text{d} x}{\text{d} t}=A\omega_0\cos(\omega_0 t+\alpha)\]](/images/math/9/d/c/9dcad6f28870846c89ba112d12dd1f58.png)
ahol 
a maximális sebesség, az ún. sebességamplitúdó.
Csillapodó rezgések
A csillapodást okozó erők gyakran (jó közelítéssel) a sebességgel arányosak: 
, ahol 
a csillapítás erősségére jellemző mennyiség. Ekkor a tömegpont mozgásegyenlete:
![\[ma=-Dx-kv\]](/images/math/b/7/0/b70cad48363b12ebe7c00c8de056d4b1.png)
ami a 
csillapítási tényező bevezetésével és 
definíciójának felhasználásával az alábbi alakra hozható:
![\[\frac{\text{d}^2x}{\text{d}t^2}+2\beta\frac{\text{d}x}{\text{d}t}+\omega_0^2 x=0\]](/images/math/3/3/f/33fca78ee06fe71af4452fd72c08965a.png)
A differenciálegyenlet megoldása 
esetén időben csökkenő amplitúdójú lengéseket eredményez:
![\[x(t)=A\exp(-\beta t)\sin(\omega' t+\alpha)\]](/images/math/a/5/b/a5bcb83c01d1fdccaeabc85b90be897f.png)
A rezgés körfrekvenciája
![\[\omega'=\sqrt{\omega_0^2-\beta^2}\]](/images/math/c/6/3/c630d6c795ef05121257c9d49adecb90.png)
Az amplitúdóváltozás jellemzésére különböző mennyiségeket használnak. A csillapodási hányados két, azonos irányban egymás után következő amplitúdó hányadosa
![\[K=\frac{x_n}{x_{n+1} }=\exp(\beta T)\]](/images/math/1/7/5/1756b3aa94e6916876a8160a4c75bf91.png)
ahol 
. Használatos még a K csillapodási hányados logaritmusa, az ún. logaritmikus dekrementum is:
![\[\Lambda=\ln K=\beta T\]](/images/math/f/5/5/f55922b2e6f73cf0584aa6742023ae9d.png)
Kényszerrezgések
Egy tömegre pl. motor és excenter segítségével időben periodikusan változó erőt alkalmazva egy átmeneti időszak után időben állandósult rezgés alakul ki, melynek frekvenciája megegyezik a kényszerítő erő frekvenciájával, míg amplitúdója függ az erőtől, a rugóállandótól, a tömegtől, a csillapítástól valamint a gerjesztő frekvenciától. Az anyagi pont mozgásegyenlete ekkor:
![\[ma=-Dx-kv+F_0\sin(\omega t)\]](/images/math/d/7/0/d700dd523f6789794008013701d4127e.png)
A korábban bevezetett jelöléseket alkalmazva másodrendű lineáris, inhomogén differenciálegyenletet kapunk:
![\[\frac{\text{d}^2x}{\text{d}t^2}+2\beta\frac{\text{d}x}{\text{d}t}+\omega_0^2 x=\frac{F_0}{m}\sin(\omega t)\]](/images/math/a/3/6/a365b484e2e8bca8da1b9e33b1dc9748.png)
ahol 
a kényszererő maximális értéke. Az egyenlet megoldása:
![\[x(t)=A\exp(-\beta t)\sin(\omega' t+\alpha)+\frac{F_0}{m\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+4\beta^2\omega^2} }\sin(\omega t+\varphi)\]](/images/math/f/f/3/ff32d472f194437197fc6be3fc4a17ba.png)
melynek második tagja írja le az állandósult állapotot. A 
fázisállandó nem az időmérés kezdetétől függ, hanem a kényszerítő erő fázisától való eltérés. Az állandósult állapot amplitúdójának maximuma van az
![\[\omega_{max}=\sqrt{\omega_0^2-2\beta^2}\]](/images/math/9/1/5/915a5a394448e94f7f6df72c7607febb.png)
frekvenciánál, míg a fázisállandó tangense:
![\[\text{tg}\varphi=\frac{2\beta\omega}{\omega_0^2-\omega^2}\]](/images/math/e/1/d/e1d16941260a5aaf6ab268ffe65a4434.png)
A kényszerrezgés energiaviszonyainak jellemezésére az egy periódus alatt disszipált energia 
és a rendszerben tárolt átlagos energia 
hányadosával arányos jósági tényező-t használjuk
![\[Q=2\pi\frac{\langle W\rangle}{T\langle P\rangle}=\frac{\omega_0}{2\beta}\]](/images/math/f/b/3/fb33b5c61b2c088423ffd4a18efb2806.png)
A kísérleti berendezés leírása
A kísérleti berendezés az 1. ábrán látható. Az alul elhelyezkedő elektronikai egység hátsó lapján található a kényszererőt létrehozó excenter. A kényszererő amplitúdója az amplitúdórúd helyzetének változtatásával szabályozható, ami a kényszert kifejtő zsinór rögzítési pontja és az excenter középpontja közötti távolságot befolyásolja (2. ábra). A kényszert továbbító zsinór a tartóoszlop tetején található két csiga vájatain áthaladva egy hurokkal kapcsolódik a vizsgálandó rugó egyik végéhez. A másik véghez a skálával ellátott mérőrúd és a hozzá erősített ún. csillapító rúd csatlakozik. E két rúd alkotja a rezgőmozgást végző „alaptömeget”, melynek értéke 50 g.
A mérőkészlethez tartozik két 50 g tömegű rézkorong is. A korongokat a mérőrudat és csillapitórudat összekötő csavarmenetre lehet felerősíteni. A tartóoszlop középmagasságánál látható a rúdvezető, melyben optikai érzékelők vannak. A mérőrudat a rúdvezető téglalap alakú nyílásán kell átvezetni.
Helyes beállítás esetén a rezgés csillapodása – melyet a légellenállás ill. a berendezés egyes elemei között fellépő súrlódás okoz – igen kicsi. Ezért a csillapítás változtatása (növelése) céljából a tartórúdra egy olyan mágnespárt szerelhetünk fel, melynek pofái között a távolság változtatható. Ezen mágnespofák között mozog az alumíniumból készült csillapítórúd. A mágneses tér hatására a mozgó fémrúdban örvényáramok keletkeznek, melyek Joule-hőjének disszipációja okozza a rendszer csillapodását. A mágnespofák közötti távolság csökkentésével a mágneses térerősség növelhető, azaz a disszipáció, vagyis a csillapítás fokozható.
Beállítás
- Ha a készülék jól van beállítva, a mérőrúd úgy függ, hogy egyik oldala sem ér hozzá a rúdvezető nyílásának falához (3. ábra). A nem jó a beállítás a 3. ábrán látható „b” vagy „c” esetben fordul elő. A „b” esetet az elektronika doboz változtatható magasságú lábainak megfelelő állításával korrigálhatjuk (vízszintezés). A „c” eset a mérőrúd felfüggesztésével (elcsavarásával)javítható.
- A fázis és amplitúdó pontos méréséhez úgy kell felfüggeszteni a mérőrudat, hogy egyensúlyi helyzetben középvonala egybeessen a rúdvezető optikai érzékelőjével. Ennek beállításához:
- Kapcsolja be az elektronika doboz hátoldalán levő kapcsolót. Figyelje a rúdvezető LED-et. Ha a mérőrúd középvonala (8,5 cm) feljebb van, mint a rúdvezető felső éle, akkor a LED kialszik. Ha a középvonal lejjebb került, akkor a LED kigyullad.
- Mozgassa úgy a mérőrudat fel és le, hogy a középvonala áthaladjon a rúdvezetőn. Közben figyelje a FÁZIS kijelzést. Amikor a mérőrúd középvonala lefelé halad keresztül a rúdvezetőn, egy LED villog a fázisskálán. Annyira fordítsa el a kényszerkereket, hogy a fázist jelző LED éppen 0° fázishelyzetet mutasson.
- Most pontosítsa a zsinór hosszát. Ez a zsinóron található plasztikcsattal állítható. Finom állítások a tartóoszlop tetején levő csavarral végezhetők. A zsinórhossz akkor megfelelő, ha egészen kicsi oszcillációknál a fázis LED ki-be kapcsol.
Az elektronika doboz a 4. ábrán látható. Az elülső lapon található a DRIVE kapcsoló. Ezzel indítható a motor, mely a kényszer kereket forgatja. A FREQUENCY gombbal változtatható a kényszer frekvenciája. Óramutató járásával megegyezően forgatva növeli a frekvenciát. A FUNKTION kapcsoló határozza meg azt, hogy az alábbi három változóból melyiket írja ki a digitális kijelző. (A kijelző jobb oldalán egy LED mutatja, hogy melyik változó értéket olvashatjuk le.)
- FREQ. – A kényszerkerék frekvenciája (Hz)
- AMPL. – A mérőrúd csúcstól-csúcsig amplitúdója (ez az amplitúdó kétszerese) (mm)
- PERIOD – A mérőrúd egy teljes rezgésének periódusideje (s).
Mérési feladatok
- A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.
1. A rugóállandó mérése
Állítsa be a zsinór hosszát úgy, hogy a mérőrúd 17 cm-es jele a rúdvezető alsó szélével egy vonalba essék! Erősítse az egyik 50 g-os rézsúlyt a mérőrúd és a csillapítórúd közé! Mérje le a rugó sztatikus megnyúlását! Ezután helyezze fel a második rézsúlyt is, és mérje meg az újabb megnyúlást! Számítsa ki a rugó rugóállandóját!
2. Csillapítatlan rendszer lengésideje
Szabályozza be a készüléket!
- Nagyon fontos, hogy a mérőrúd ne érjen a rúdvezető egyik falához se (lásd az előző pontban)!
Ehhez a méréshez szerelje le a csillapító mágnespofákat! A FUNKCIÓ kapcsolót állítsa periódusidőmérésre (PERIOD). Húzza a mérőrudat kb. 5 cm-rel az egyensúlyi helyzete alá, és engedje el! A digitális kijelző ekkor a rezgés periódusidejét (s) mutatja. A mérést üres mérőrúddal, majd 50 és 100 g-os terhelésekkel is végezze el!
- Az eredményeket foglalja táblázatba és vesse össze az elmélet alapján kiszámolt értékekkel!
3. Kényszerrezgés amplitúdójának és sebességamplitúdójának vizsgálata a kényszerítő frekvencia függvényében
A méréseket két különböző csillapítás esetén, mindkét esetben kétféle tömeggel (mérőrúd + 50 g, mérőrúd + 100 g) végezze el! Szerelje vissza a csillapító mágnespofákat! A kis csillapításhoz a csillapító mágnespofákat egymástól a lehető legtávolabb állítsa be! A nagy csillapításhoz tekerje a mágnespofákat a lehető legközelebb, de csak annyira, hogy ne érjenek hozzá a csillapítórúdhoz! Ekkor mérje meg és jegyezze fel a mágnespofák távolságát!
Gondosan állítsa be a mérőrúd helyzetét úgy, hogy már egészen kis kitéréseknél villogjon a digitális kijelző (beállítás)! A FUNKCIÓ kapcsolót állítsa frekvenciamérésre (FREQ.) és a DRIVE kapcsolóval indítsa el a kényszerrezgést! A frekvenciaszabályozó gombbal lassan (fokozatosan) növelje a frekvenciát, és időről-időre váltson át az amplitúdómérésre (AMPL.)!
- Itt a kijelző mm-ben megadja a csúcstól-csúcsig amplitúdót – ez az amplitúdó kétszerese.
- Figyelje eközben a fázisállandót jelző LED értékét is! Amikor a kényszerítő frekvencia megegyezik az sajátfrekvenciával, a fázisszög 90°.
Keresse meg az 
rezonanciafrekvenciát, ahol az amplitúdó maximális!
- A rezonanciafrekvencia – különösen nagy csillapítás esetében – eltér a sajátfrekvenciától.
- Amennyiben a rezgések amplitúdója túl nagy vagy túl kicsi lenne, úgy kapcsolja ki a készüléket és csökkentse, illetve növelje a kényszererő amplitúdóját, majd ellenőrizze a kitérést a rezonanciafrekvenciánál!
Amennyiben mindent rendben talál, vegye fel táblázatosan a rezonanciafrekvenciánál 1 Hz-cel kisebb és 1 Hz-cel nagyobb frekvenciák közötti intervallumban 0,1 Hz-enként (és a rezonancia frekvencia közelében ennél sűrűbben is) a kitérési amplitúdókat! Ábrázolja az azonos tömeggel, de különböző csillapítással felvett görbéket közös diagrammon! Adja meg minden esetben értékét!
A korábban megmért görbék valamennyi pontjánál (a kitérési amplitúdó és frekvencia ismeretében) számítsa ki a sebeségamplitúdó 
értékeket! Foglalja táblázatba és ábrázolja diagrammon a sebességamplitúdó – frekvencia görbéket!
- Az azonos tömeggel, de különböző csillapítással felvett görbéket most is közös diagrammon ábrázolja!
4. Csillapítási tényező és jósági tényező meghatározása
A csillapítási tényező kísérleti meghatározásának egyik lehetséges módszere a csillapodási hányados mérésén alapul. Ekkor egymás utáni lengések amplitúdócsökkenéseit mérjük. Ennek észlelése akkor pontos, ha a lengő rendszer periódusideje eléggé nagy (kb. 3-10 s). Az alkalmazott rugónál a lengésidő rövidebb, emiatt egy másik módszer alkalmazása előnyösebb. A csillapítási- és jósági tényezők a sebességamplitúdó frekvenciafüggéséből meghatározhatók. A sebességamplitúdó kifejezése:
![\[A\omega=\frac{F\omega}{m\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+4\beta^2\omega^2}}\]](/images/math/3/a/e/3aeab903d3350c585ce4ec40539126d0.png)
melynek maximuma – ellentétben a kitérési amplitúdó maximumával – éppen -nál van, ahol
![\[A\omega_0=\frac{F_0}{2m\beta}\]](/images/math/6/9/4/69473f127c05ab971edfd28fc781f157.png)
A sebességamplitúdó az 
és 
frekvenciáknál (
), illetve az ezeknek megfelelő 
és 
(
) körfrekvenciáknál lesz a maximális sebességamlitúdó fele. Behelyettesítve a sebességamplitúdó képletébe -nél az
![\[\frac{F_0}{4m\beta}=\frac{F_0\omega_1}{m\sqrt{(\omega_0^2-\omega_1^2)^2+4\beta^2\omega_1^2}}\]](/images/math/c/3/4/c34b2a350064dee5fb3d2c843607eef1.png)
-nél az
![\[\frac{F_0}{4m\beta}=\frac{F_0\omega_2}{m\sqrt{(\omega_0^2-\omega_2^2)^2+4\beta^2\omega_2^2}}\]](/images/math/7/6/5/765c24f873f5f2b624e43efd05868e84.png)
egyenleteket kapjuk. Négyzetre emelés és átrendezés után
![\[(\omega_0^2-\omega_1^2)=\sqrt{12}\beta\omega_1\]](/images/math/0/2/5/025169502f4a75cc89834e70bd17767f.png)
illetve
![\[(\omega_2^2-\omega_0^2)=\sqrt{12}\beta\omega_2\]](/images/math/2/e/2/2e267334c8f049594666f8a24d2d4a66.png)
adódik. Ebből a két egyenletet összeadva, és egyszerűsítve a 
csillapítási tényező:
![\[\beta=\frac{\omega_2-\omega_1}{\sqrt{12}}=\frac{2\pi(f_2-f_1)}{\sqrt{12}}\]](/images/math/5/0/c/50cf31a2e426b3934d744f695d90f9e3.png)
A két egyenlet elosztásából viszont 
, és így 
következik, amit felhasználva a 
jósági tényező:
![\[Q=\frac{\omega_0}{2\beta}=\frac{\sqrt{3f_1f_2}}{f_2-f_1}\]](/images/math/d/f/f/dff7818fb3bfac30c91cf0afc43ba753.png)
Illesszen a 3. pontban mért sebességamplitúdó adatokra a sebességamplitúdó – frekvencia függvénynek megfelelő görbét és határozza meg a maximális sebességamplitúdó értékét, majd állapítsa meg azt a két frekvenciát melyeknél sebességamplitúdó a maximális érték fele! Számítsa ki a fenti képletek segítségével a csillapítási és jósági tényezőket!
- Az illesztett görbe paraméterei között szerepel a csillapítási tényező is, így ezt az alapján közvetlenül is meghatározhatja. szintén illesztési paraméter, így
5. Lebegés vizsgálata
Két, kis mértékben különböző frekvenciájú, szinuszhullám szuperpozíciójakor „lebegés” alakul ki (5. ábra). Ha 
időpontban a rezgések éppen fázisban vannak, akkor a hullámok összeadódnak és az eredő rezgés maximális amplitúdójú lesz. Egy későbbi 
időpontban azonban a frekvencia különbség miatt a rezgések ellentétes fázisba kerülnek, és egymás hatását csökkentve minimális amplitúdót eredményeznek. Az amplitúdó változások burkológörbéje szintén szinuszos. A burkológörbe frekvenciája 
, ahol és a két összetevő rezgés frekvenciája.
A kényszerrezgés bekapcsolásakor az állandósult tag mellett egy darabig megfigyelhető a csillapított rendszer idővel elhaló saját rezgése is. A differenciálegyenlet megoldása tartalmazza a bekapcsolás után kialakuló mindkét frekvenciát. A tranziens rezgés körfrekvenciája 
, az állandósulté pedig 
. Lebegés akkor figyelhető meg, ha a kényszererő körfrekvenciája közelében van, és a csillapítás elég kicsi. Amint a tranziens elhal, a lebegés is megszűnik.
Szerelje le újra a csillapító mágnespofákat és állítsa be pontosan a mérőrúd helyzetét. Határozza meg a rendszer sajátfrekvenciáját! (A 2. méréshez hasonlóan használja a készülék kijelzőjén a PERIOD állást! 
) Állítsa a kényszerkeréken az amplitúdót 2 mm-re! Kapcsolja be a kényszermozgást és szabályozza annak frekvenciáját úgy, hogy 0,1 Hz-cel legyen alacsonyabb, mint ! Jegyezze fel mindét frekvencia értékét és kapcsolja ki a kényszert! Várjon, amíg a mérőrúd megáll! Állítsa a funkciókapcsolót AMPL. állásba.
Helyezze a mérőrúd alá az ultrahangos érzékelőt! Indítsa el a számítógépen a Logger Lite programot. A program felismeri a rákapcsolt szenzort. Végezze el a következő beállításokat: Experiment 
Data Collection Length: 120 s; Options Graph Options Axes Options Scaling: Autoscale (mindkét tengelyen).
Indítsa el az adatgyűjtést, majd kapcsolja be a kényszerrezgést! A lebegés megszűntéig mérjen! Utána a mérési adatok a File Export as paranccsal menthetők.
Ábrázolja az amplitúdót az idő függvényében! Határozza meg a burkoló szinuszgörbe periódusidejét és frekvenciáját! Vesse össze az elmélet alapján várható értékekkel!
