Задачи на тему Малые колебания системы с одной степенью свободы

Предмет Теоретическая механика
Из пособия Решебник Мещерский

54.1 Жесткий стержень OB длины l может свободно качаться на шаровом шарнире около конца O и несет шарик веса Q на другом конце. Стержень удерживается в горизонтальном положении посредством нерастяжимого вертикального шнура длины h. Расстояние OA=b. Если шарик оттянуть перпендикулярно плоскости рисунка и затем отпустить, то система начнет колебаться. Пренебрегая массой стержня, определить период малых колебаний системы.
РЕШЕНИЕ

54.2 Определить период малых колебаний астатического маятника, употребляемого в некоторых сейсмографах для записи колебаний почвы. Маятник состоит из жесткого стержня длины l, несущего на конце массу m, зажатую между двумя горизонтальными пружинами жесткости k с закрепленными концами. Массой стержня пренебречь, и считать пружины в положении равновесия ненапряженными.
РЕШЕНИЕ

54.3 Маятник состоит из жесткого стержня длины l, несущего массу m на своем конце. К стержню прикреплены две пружины жесткости k на расстоянии b от его верхнего конца; противоположные концы пружин закреплены. Пренебрегая массой стержня, найти период малых колебаний маятника
РЕШЕНИЕ

54.4 Предполагая, что маятник, описанный в предыдущей задаче, установлен так, что масса m расположена выше точки подвеса, определить условие, при котором вертикальное положение равновесия маятника устойчиво, и вычислить период малых колебаний маятника.
РЕШЕНИЕ

54.5 Цилиндр диаметра d и массы m может катиться без скольжения по горизонтальной плоскости. Две одинаковые пружины жесткости c прикреплены посередине его длины на расстоянии a от оси цилиндра; противоположные концы пружин закреплены. Определить период малых колебаний цилиндра.
РЕШЕНИЕ

54.6 Определить период малых колебаний метронома, состоящего из маятника и добавочного подвижного груза G массы m. Момент инерции всей системы относительно горизонтальной оси вращения изменяется путем смещения подвижного груза G. Масса маятника M; расстояние центра масс маятника от оси вращения O равно s0; расстояние OG=s; момент инерции маятника относительно оси вращения J0.
РЕШЕНИЕ

54.7 Тело, подвешенное на двух вертикальных нитях длины l каждая, расстояние между которыми 2b, закручивается вокруг вертикальной оси, лежащей в плоскости нитей и равноудаленной от них (бифилярный подвес). Радиус инерции тела относительно оси вращения ρ. Найти период малых колебаний.
РЕШЕНИЕ

54.8 Круглый обруч подвешен к трем неподвижным точкам тремя одинаковыми нерастяжимыми нитями длины l, так, что плоскость обруча горизонтальна. Нити в положении равновесия обруча вертикальны и делят окружность обруча на три равные части. Найти период малых колебаний обруча вокруг оси, проходящей через центр обруча.
РЕШЕНИЕ

54.9 Тяжелая квадратная платформа ABCD массы М подвешена на четырех упругих канатах, жесткости с каждый, к неподвижном точке O, отстоящей в положении равновесия системы на расстоянии l по вертикали от центра E платформы. Длина диагонали платформы a. Определить период вертикальных колебании системы.
РЕШЕНИЕ

54.10 Уголок, составленный из тонких однородных стержней длин l и 2l с углом между стержнями 90°, может вращаться вокруг точки O. Определить период малых колебаний уголка около положения равновесия.
РЕШЕНИЕ

54.11 Определить период малых свободных колебаний маятника массы М, ось вращения которого образует угол β с горизонтальной плоскостью. Момент инерции маятника относительно оси вращения J, расстояние центра масс от оси вращения s.
РЕШЕНИЕ

54.12 В приборе для регистрации вертикальных колебаний фундаментов машин груз Q массы m, закрепленный на вертикальной пружине, коэффициент жесткости которой с1, шарнирно соединен со статически уравновешенной стрелкой, выполненной в виде ломаного рычага с моментом инерции J относительно оси вращения O и отжимаемой к равновесному положению горизонтальной пружиной с коэффициентом жесткости с2. Определить период свободных колебаний стрелки около ее вертикального равновесного положения, если OA = а и OB = b. Размерами груза и влиянием первоначального натяжения пружины пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.13 Амортизационное устройство может быть схематизировано в виде материальной точки массы m, соединенной n пружинами жесткости с с вершинами правильного многоугольника. Длина каждой пружины в ненапряженном состоянии a, радиус окружности, описанной около многоугольника b. Определить частоту горизонтальных свободных колебаний системы, расположенной в горизонтальной плоскости.
РЕШЕНИЕ

54.14 В предыдущей задаче определить частоту колебаний, перпендикулярных плоскости многоугольника. Массами пружин пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.15 Определить частоту малых вертикальных колебаний материальной точки E, входящей в состав системы, изображенной на рисунке. Масса материальной точки т. Расстояния AB = BC и DE = EF жесткости пружин с1, с2, с3, с4 заданы. Бруски AC и DF считать жесткими, не имеющими массы.
РЕШЕНИЕ

54.16 На нерастяжимой нити длины 4а находятся три груза, массы которых соответственно равны m, М, m. Нить симметрично подвешена за концы так, что ее начальный и конечный участки образуют углы сс с вертикалью, а средние участки углы р. Груз М совершает малые вертикальные колебания. Определить частоту свободных вертикальных колебаний груза М.
РЕШЕНИЕ

54.17 Вертикальный сейсмограф Б. Б. Голицина состоит из рамки AОВ, на которой укреплен груз веса Q. Рамка может врашаться вокруг горнзонтальной оси O. В точке В рамки, отстоящей от O на расстоянии a, прикреплена пружина жесткости c, работающая на растяжение. В положении равновесия стержень OA горизонтален. Момент инерции рамки и груза относительно O равен J, высота рамки b. Пренебрегая массой пружины и считая, что центр масс груза и рамки находится в точке A, отстоящей от O на расстоянии l, определить частоту малых колебаний маятника.
РЕШЕНИЕ

54.18 В вибрографе, предназначенном для записи колебаний фундаментов, частей машин и т.п., маятник веса Q удерживается под углом α к вертикали с помощью спиральной пружины жесткости k; момент инерции маятника относительно оси вращения O равен J, расстояние центра масс маятника от оси вращения s. Определить период свободных колебаний вибрографа.
РЕШЕНИЕ

54.19 В вибрографе для записи горизонтальных колебаний маятник OA, состоящий из рычага и груза, может качаться вокруг горизонтальной оси O около вертикального положения устойчивого равновесия, удерживаясь в этом положении собственным весом и спиральной пружиной. Зная максимальный статический момент силы тяжести маятника Qb= 45 Н*см, момент инерции относительно оси O J=0,3 кг*см2 и жесткость при кручении пружины k=45 Н*см, определить период собственных колебаний маятника при малых углах отклонения.
РЕШЕНИЕ

54.20 Найти, при каком условии верхнее вертикальное положение равновесия маятника является устойчивым, если свободному вращению маятника препятствует спиральная пружина жесткости k, установленная так, что при верхнем вертикальном положении маятника она не напряжена. Вес маятника P. Расстояние от центра масс маятника до точки подвеса равно b. Найти также период малых колебаний маятника, если его момент инерции относительно оси вращения равен J0.
РЕШЕНИЕ

54.21 Показать, что при с < Ра маятник, рассмотренный в предыдущей задаче, будет иметь не менее трех положений равновесия. Найти также период малых колебаний.
РЕШЕНИЕ

54.22 Стержень OA маятника при помощи шатуна AB соединен с маленькой стальной рессорой EB жесткости k. В ненапряженном состоянии рессора занимает положение EB1; известно, что к рессоре нужно приложить силу F0, направленную по OB, чтобы привести ее в положение EB0, соответствующее равновесию маятника; OA=AB=b; массой стержней пренебрегаем; расстояние центра масс маятника от оси вращения OC=l; вес маятника Q. С целью достижения наилучшего изохронизма (независимость периода колебаний от угла первоначального отклонения) система отрегулирована так, чтобы в уравнении движения маятника φ = f(φ) = -βφ + ... первый из отброшенных членов был порядка φ5. Установить, какая зависимость должна для этого иметь место между постоянными Q, F0, k, b, l, и вычислить период малых колебаний маятника.
РЕШЕНИЕ

54.23 Показать, что при условии предыдущей задачи увеличение периода колебаний при отклонениях маятника от положения равновесия на угол φ0 = 45° не превышает 0,4 %. Каково будет при этих условиях изменение периода простого маятника?
РЕШЕНИЕ

54.24 При условиях задачи 54.22 маятник отрегулирован так, что Ql = 2aF0. Найти период малых колебаний маятника при отклонении его от положения равновесия на угол φ
РЕШЕНИЕ

54.25 В маятнике паллографа груз M маятника повешен на стержне, свободно проходящем через вращающийся цилиндрик O и шарнирно соединенном в точке А с коромыслом АО и качающимся вокруг неподвижной оси O1. При каком условии вертикальное положение стержня ОМ маятника будет положением устойчивого равновесия? Найти период малых колебаний маятника около этого положения. Размерами груза и массой стержней пренебречь. (Размеры стержней указаны на рисунке к задаче 53.16.)
РЕШЕНИЕ

54.26 Пренебрегая массой стержней найти период малых колебаний маятника, изображенного на рисунке. Центр масс груза находится на продолжении шатуна шарнирного чстырехзвенника ОАВО1 в точке C. В положении равновесия стержни OA и BC вертикальны, стержень 01В горизонтален: OA = AB = a; AC = s.
РЕШЕНИЕ

54.27 Определить период колебания груза Р массы m, подвешенного на пружине с закрепленным верхним концом если коэффициент жесткости пружины равен c, масса пружины m0. Принять, что отношение отклонений двух точек пружины от своих положений равновесия равно отношению соответствующих расстояний этих точек до закрепленного конца пружины.
РЕШЕНИЕ

54.28 На нижнем конце вертикального цилиндрического упругого стержня с закрепленным верхним концом прикреплен в своем центре горизонтальный диск с моментом инерции J относительно вертикальной оси, проходящей через центр; момент инерции стержня относительно его оси равен J0; коэффициент жесткости стержня при закручивании, т. е. момент, необходимый для закручивания нижнего конца стержня на один радиан, равен c. Определить период колебаний системы.
РЕШЕНИЕ

54.29 Груз веса Q укреплен посредине балки, свободно опертой на концах; длина балки l, момент инерции поперечного сечения J, модуль упругости материала E. Определить, пренебрегая массой балки, число колебаний, совершаемых грузом в минуту.
РЕШЕНИЕ

54.30 Двутавровая балка с моментом инерции сечения J=180 см4, длины l = 4 м лежит на двух одинаковых упругих опорных пружинах, жесткость которых c= 1,5 кН/см, и несет посредине груз веса Q = 2 кН. Пренебрегая весом балки, определить период свободных колебаний системы. Модуль упругости материала балки E = 2*104 кН/см2 kH/см2
РЕШЕНИЕ

54.31 В конце В горизонтального стержня AB длины l, заделанного другим концом, находится груз веса Q, совершающий колебания с периодом Т. Момент инерции сечения стержня относительно центральной оси сечения, перпендикулярной плоскости колебаний, равен J. Найти модуль упругости материала стержня.
РЕШЕНИЕ

54.32 Диск массы M и радиуса r может катиться без скольжения по горизонтальной прямой. К диску жестко прикреплен стержень длины l, на конце которого находится точечная масса m. Найти период малых колебаний системы. Массой стержня пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.33 На шероховатый круглый полуцилиндр радиуса R положен призматический брусок массы M с прямоугольным поперечным сечением. Продольная ось бруска перпендикулярна оси цилиндра. Длина бруска 2l, высота 2a. Концы бруска соединены с полом пружинами одинаковой жесткости c. Предполагая, что брусок не скользит по цилиндру, найти период его малых колебаний. Момент инерции бруска относительно поперечной горизонтальной оси, проходящей через центр масс, равен J0.
РЕШЕНИЕ

54.34 Острота амплитудно-частотной характеристики системы с одной степенью свободы при действии силы трения, пропорциональной скорости, характеризуется половинной шириной амплитудно-частотной характеристики. Половинная ширина амплитудно-частотной характеристики измеряется разностью между двумя частотами, для которых амплитуда колебаний равна половине амплитуды, сответствуюшей резонансу. Выразить половинную ширину амплитудно-частотной характеристики Д через коэффициент расстройки частот z = ω/k и через приведенный коэффициент затухания σ = n/k. Дать приближенную формулу для случая σ<<1 (со частота вынуждающей силы, k частота собственных колебаний; при резонансе z= 1).
РЕШЕНИЕ

54.35 В вибрографе, употребляемом для записи вертикальных колебаний, стержень OA, соединенный с пишущим пером прибора, может вращаться вокруг горизонтальной оси O. Стержень OA на конце A несет груз Q и удерживается в горизонтальном положении равновесия спиральной пружиной. Определить относительное движение стержня OA, если виброграф укреплен на фундаменте, совершающем вертикальные колебания по закону z=0,2 sin 25t см. Жесткость при кручении пружины c=1 Н*см, момент инерции стержня OA с грузом Q относительно O равен J=4 кг*см2, Qa=100 Н*см. Собственными колебаниями стержня пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.36 В вибрографе, описанном в задаче 54.35, стержень снабжен электромагнитным тормозом в виде алюминиевой пластины, колеблющейся между полюсами неподвижно закрепленных магнитов. Возникающие в пластине вихревые токи создают торможение, пропорциональное первой степени скорости движения пластины и доведенное до границы апериодичности. Определить вынужденные колебания стрелки прибора, если последний закреплен на фундаменте, совершающем вертикальные колебания по закону z = h sin pt.
РЕШЕНИЕ

54.37 Вертикальный двигатель массы M1 закреплен на фундаменте, имеющем площадь основания S; удельная жесткость грунта равна λ. Длина кривошипа двигателя r, длина шатуна l, угловая скорость вала ω, масса поршня и неуравновешенных частей, совершающих возвратно-поступательное движение, равна М2, масса фундамента М3; кривошип считать уравновешенным при помощи противовеса. Массой шатуна пренебречь. Определить вынужденные колебания фундамента.
РЕШЕНИЕ

54.38 Рассчитать вес фундамента под вертикальный двигатель массы М = 104 кг таким образом, чтобы амплитуда вынужденных вертикальных колебаний фундамента не превосходила 0,25 мм. Площадь основания фундамента S=100 м2, удельная жесткость грунта, находящегося под фундаментом, λ = 490 кН/м3. Длина кривошипа двигателя r = 30 см, длина шатуна l=180 см, угловая скорость вала ω = 8п рад/с, масса поршня и других неуравновешенных частей, совершающих возвратно-поступательное движение, m = 250 кг, кривошип считать уравновешенным при помощи противовеса. Массой шатуна пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.39 Электромотор массы М = 1200 кг установлен на свободных концах двух горизонтальных параллельных балок, заделанных вторыми концами в стену. Расстояние от оси электромотора до стены l= 1,5 м. Якорь электромотора вращается со скоростью n = 50п рад/с, масса якоря m = 200 кг центр масс его отстоит от оси вала на расстоянии r = 0,05 мм. Модуль упругости мягкой стали, из которой сделаны балки, E=19,6*10^7 Н/см2. Определить момент инерции площади поперечного сечения так, чтобы амплитуда вынужденных колебаний не превосходила 0,5 мм. Весом балки пренебречь.
РЕШЕНИЕ

54.40 Кулачковый механизм для привода клапана может быть схематизирован в виде массы m, прикрепленной с одной стороны с помощью пружины жесткости с к неподвижной точке и получающей с другой стороны через пружину жесткости c1 движение от поступательно движущегося кулачка, профиль которого таков, что вертикальное смещение определяется формулами x1= а [1 cos ωt] при 0≤t≤2п/ω, х2=0 при t>2п/ω. Определить движение массы m
РЕШЕНИЕ

54.41 Для записи крутильных колебаний употребляется торсиограф, состоящий из легкого алюминиевого шкива A, заклиненного на валу В и тяжелого маховичка D, который может свободно вращаться относительно вала B. Вал связан с маховичком D спиральной пружиной жесткости c. Вал В движется по закону φ = ω + φ0 sin ωt (равномерное вращение с наложением гармонических колебаний). Момент инерции маховичка относительно оси вращения J. Исследовать вынужденные колебания маховичка торсиографа.
РЕШЕНИЕ

54.42 Для гашения колебаний коленчатого вала авиационного мотора в противовесе коленчатого вала делается желоб в форме дуги окружности радиуса r с центром, смещенным на AB = l от оси вращения; по желобу может свободно двигаться дополнительный противовес, схематизируемый в виде материальной точки. Угловая скорость вращения вала равна ω. Пренебрегая влиянием силы тяжести, определить частоту малых колебаний дополнительного противовеса.
РЕШЕНИЕ

54.43 К грузу веса P, висящему на пружине жесткости с в начальный момент времени приложена постоянная сила F, действие ко горой прекращается по прошествии времени t. Определить движение груза.
РЕШЕНИЕ

54.44 Определить максимальное отклонение от положения равновесия системы, описанной в предыдущей задаче, в случае действия сил различной продолжительиости: 1) t = 0, lim Ft =S 2) t = T/4, 3) t= T/2, где Т период свободных колебаний системы.
РЕШЕНИЕ

54.45 Найти закон движения маятника, состоящего из материальной точки, висящей на нерастяжимой нити длины l. Точка подвеса маятника движется по заданному закону ε(t) по горизонтальной прямой.
РЕШЕНИЕ

54.46 На материальную точку массы m, подвешенную на пружине жесткости c, действует возмущающая сила, заданная условиями: F=0 при t <0; F=t/τF0 при 0≤t≤τ F=F0 при t >τ. Определить движение точки и найти амплитуду колебаний при t > т.
РЕШЕНИЕ

54.47 На груз массы m, висящий на пружине жесткости c, действует возмущающая сила, изменяющаяся по закону Q(t) = F|sin ωt|. Определить колебания системы, имеющие частоту возмущающей силы.
РЕШЕНИЕ

54.48 Определить критическую угловую скорость (относительно поперечных колебаний) легкого вала, несущего посредине диск веса Р. Рассмотреть следующие случаи: 1) вал на обоих концах опирается па длинные подшипники (концы можно считать заделанными); 2) на одном конце вал опирается на длинный подшипник (конец заделан), а на другом на короткий подшипник (конец оперт). Жесткость вала на изгиб EJ, длина вала l.
РЕШЕНИЕ

54.49 Определить критическую скорость вращения легкого вала длины l, если вал лежит на двух коротких подшипниках и на выступающем конце длиной а несет диск веса Р. Жесткость вала на изгиб EJ.
РЕШЕНИЕ

54.50 Определить критическую скорость вращения тяжелого вала, лежащего одним концом в коротком подшипнике, а другим в длинном; длина вала l, жесткость вала на изгиб EJ, вес единицы длины вала q.
РЕШЕНИЕ