مبانی ارتعاشات مکانیکی

مبانی ارتعاشات مکانیکی

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 30

فهرست:

• تاریخچه
• معرفی پدیده ارتعاش
• طبقه بندی ارتعاش
• اجزای یک سیستم ارتعاشی
  • اجسام صلب: اجزاء اینرسی (m)
  • فنرها: اجزای الاستیک (K)
  • میرائی: مقاوم در مقابل سرعت (C)
• حرکت هماهنگ
• اصل پایستگی انرژی
• درجه آزادی
• انواع ارتعاش
  • ارتعاش آزاد
  • ارتعاش اجباری یا واداشته
• دیاگرام بد

تاریخچه

انسانها از زمان اختراع اولین ابزار موسیقی به پدیده ارتعاش علاقمند شدند. هرچند که در آن زمان قوانین قطعی در مورد ارتباط بین ارتعاش و هنر موسیقی مشاهده شده بود اما هنوز این پدیده به عنوان یک علم شناخته نشده بود. گالیله (۱۶۴۲-۱۵۶۴) اولین مطالعات خود را در زمینه نوسانات پاندول ساده با اندازه گیری پریود حرکت ناقوس کلیسای شهر پیزا آغاز کرد. او در کتاب “مباحثی در زمینه دو علم جدید” که در سال ۱۶۳۸ منتشر شد، به بحث پیرامون رفتار پاندول ساده و نیز ارتعاشات تارها پرداخت. این کتاب حاکی از درک جامع گالیله از پدیده ارتعاش و نوسان می باشد. Marin Mersenne (۱۶۴۸ – ۱۵۸۸) در سال ۱۶۳۶ کتابی را منتشر کرد که در آن قوانین ارتعاش تار ها مورد بررسی قرار گرفته بود. او به دلیل انتشار این قوانین قبل از گالیله، پدر علم آکوستیک نامیده شده است.

Robert Hooke (۱۶۳۵-۱۷۰۳) آزمایش هایی را برای کشف رابطه بین زیر و بم بودن صدا با فرکانس تار مرتعش انجام داد. Sauveur (۱۶۵۳-۱۷۱۶) در فرانسه John Wallis (۱۷۰۳- ۱۶۱۶) در انگلستان برای اولین بار به پدیده شکل مودها پی بردند. آنها دریافتند که در یک تار مرتعش بعضی از نقاط بدون حرکت و برخی دیگر دارای حرکات شدیدی هستند که Sauveur این نقاط را به ترتیب گره و شکم نامید. او همچنین برای اولین بار مفهوم فرکانس پایه و پدیده ضربان را معرفی کرد و موفق به اندازه گیری فرکانس ارتعاش یک تار کشیده گردید. نیوتن (۱۷۲۷ – ۱۶۴۲) نیز به واسطه کشف و ارایه قانون دوم خود و نیز قانون جاذبه عمومی نقش بسیار مؤثری در پیشرفت این عرصه داشته است.

قانون دوم نیوتن همچنان به عنوان یک رهیافت جامع در کتاب های امروزی برای یافتن معادله دیفرانسیل حرکت کاربرد گسترده ای دارد. ریلی نیز در سال ۱۸۷۷ کتابی را در زمینه تئوری اصوات منتشر کرد که یکی از جامع ترین کتاب های کلاسیک در این زمینه به شمار می رود. مهم ترین فعالیت او در زمینه تئوری ارتعاشات ، ارائه روشی به منظور یافتن فرکانس اصلی ارتعاش یک سیستم پایستار بر اساس اصل بقای انرژی است که امروزه به روش ریلی مشهور می باشد. این روش بعدها برای یافتن سایر فرکانس ها توسعه داده شد و به روش ریلی ریتز شهرت یافت.

معرفی پدیده ارتعاش

حرکات نوسانی (ارتعاشی) دسته ای از حرکات مکانیکی هستند. نوسانات مکانیکی حول نقطه تعادل را ارتعاش می نامند. کلیه اجسامی که دارای جرم و خاصیت کشسانی هستند قادر به ارتعاش می باشند. نوسانات ممکن است به صورت متناوب مانند حرکت یک پاندول یا به شکل اتفاقی (تصادفی) مانند حرکت چرخ خودرو روی یک مسیر ناهموار باشد. حرکت یک دیاپازون، ارتعاش تار در یک ساز و ارتعاش مولکول های هوا در مخروط یک بلندگو نمونه هایی از ارتعاشات مطلوب هستند که برای عملکرد صحیح دستگاه های مختلف ضروری می باشند، اما در اغلب موارد ارتعاش یک پدیده نامطلوب است که موجب اتلاف انرژی و تولید صدا های ناخواسته می گردد، به عنوان مثال حرکات ارتعاشی وسایل نقلیه، موتورهای الکتریکی یا هر دستگاه مکانیکی دیگر در حین کار از این دسته هستند که چنین ارتعاشاتی می توانند به علت عدم تعادل اجزاء دوار، اصطکاک با درگیر شدن دندانه های چرخ دنده ها و عواملی از این قبیل به وجود آیند. طراحی دقیق، ارتعاشات نامطلوب را به کمترین حد ممکن می رسانند.

مطالعه صدا و ارتعاش بسیار به یکدیگر نزدیک است. صدا یا “امواج صوتی” توسط سازه های مرتعش (مانند تار های صوتی) به وجود می آید. این امواج نیز می توانند باعث ارتعاش سازه ها (مانند پرده گوش) شوند. بنابراین برای کاهش آسیب ها و عوارض صوتی معمولا سعی در حذف ارتعاشات است.

طبقه بندی ارتعاشات

از یک دیدگاه، ارتعاش می تواند به صورت آزاد یا اجباری انجام شود. ارتعاش آزاد زمانی روی می دهد که نوسان با یک نیروی اولیه شروع شده و پس از آن آزادانه ادامه یابد. سیستم مکانیکی با یک یا چند فرکانس طبیعی خود شروع به ارتعاش نموده و به تدریج میرا و متوقف می شود. حرکت رفت و برگشتی یک آونگ با ضربه زدن به یک دیاپازون مثال هایی از ارتعاش آزاد هستند. زمانی که یک نیرو یا حرکت اجباری به سیستم مکانیکی اعمال شود، ارتعاش به صورت اجباری خواهد بود. نمونه هایی از این نوع ارتعاش عبارتند از: ارتعاش ساختمان در حین زمین لرزه، لرزش یک ماشین لباسشویی در اثر عدم تعادل در بخش دوار آن، ارتعاشات خودرو که توسط موتور، فنر ها، جاده و … ایجاد می شود. در ارتعاش اجباری، فرکانس ارتعاش همان فرکانس تحریک بوده و دامنه نوسانات وابسته به مشخصات سیستم مکانیکی و پارامترهای تحریک می باشد.

چنانچه در حین ارتعاش، انرژی به صورت اصطکاک یا هر نوع مقاومت دیگری تلف شود، به آن ارتعاش میرا و در غیر این صورت به آن غیرمیرا (نامیرا) گفته می شود. در بسیاری از سیستم های مکانیکی مقدار میرایی آن قدر ناچیز است که می تواند برای اکثر اهداف مهندسی نادیده فرض شود.

در تحلیل سیستم های ارتعاشی نزدیک به وضعیت تشدید (منطبق شدن فرکانس طبیعی و فرکانس تحریک) میرایی از اهمیت خاصی برخوردار است.

چنانچه همه مولفه های یک سیستم ارتعاشی شامل فنر، جرم و میراکننده رفتار خطی داشته باشند ارتعاش حاصل به عنوان ارتعاش خطی شناخته شده و معادله دیفرانسیل حاکم بر آن نیز خطی است. اما اگر یکی از این اجزاء به صورت غیرخطی رفتار کنند ارتعاش و معادله دیفرانسیل حاکم غیرخطی خواهد بود. در مسایل غیر خطی برخلاف مسایل خطی، اصل جمع اثرات ارتعاشی معتبر نیست. در همه سیستم های ارتعاشی با افزایش دامنه نوسانات، رفتار سیستم به حالت غیر خطی می گراید و لذا شناخت این نوع ارتعاش در برخورد با مسایل علمی ضروری است.

اگر مقدار دامنه تحریک (نیرو یا جابجایی که روی یک سیستم ارتعاشی اعمال می شود مشخص باشد، به تحریک و ارتعاش حاصل از آن قطعی گفته می شود. در برخی موارد تحریک غیرقطعی یا اتفاقی است، بدین معنی که مقدار آن در یک زمان مشخص قابل تعیین نیست. در این موارد ثبت گستره وسیعی از تحریک ها به صورت متوسط یا میانگین مربعات می تواند یک نظم آماری را نشان دهد. وزش باد، ناهمواری جاده و حرکت زمین هنگام زلزله مثال هایی از تحریک تصادفی هستند. پاسخ ارتعاشات اتفاقی حاصل نیز به صورت تصادفی بوده و می تواند با استفاده از کمیت های آماری توصیف گردد.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ راهنمایی ارزیابی اثرات بهداشتی مواجهه با ارتعاش تمام بدن

⇐ صدا و ارتعاش و تاثیر آن بر بدن انسان

⇐ کنترل تماس با ارتعاش تمام بدن

⇐ بیماریهای ناشی از ارتعاش