- частное решение уравнения (5).
Подставим предполагаемую формулу решения уравнения (6) в уравнение (5), получим:
(7)
Из (7) следует, что каждая
=0, значит должно выполняться следующее
условие:
=0;
Перепишем его следующей пропорцией:
;
(8)
Так как x и t независимые переменные, то отношение функции времени равно отношению функции длины только в том случае, если оба этих отношения постоянны.
Вводя для этой постоянной обозначение на основании (8), получаем следующие, связанные
друг с другом лишь через параметр
, обыкновенные
дифференциальные уравнения:
(9)
(10)
n=1,2...
Принятая форма решения (6) показывает, что уравнение (10) определяет закон колебаний во времени каждой точки другой линии. А уравнение (9) определяет распределение амплитуд колебаний вдоль этой линии.
Решение уравнения (10) - это свободные гармонические колебания.
Сn, -
производные постоянные, находящиеся из следующих начальных условий:
Для решения уравнения (9) требуется 4 граничных условия, которые на основании граничных условий (2) и (3) запишутся так:
(11)
(12)
Задача 9+11+12, при любом
значении параметра , имеет нулевое решение:
- это
решение называется тривиальным.
Нам нужно отыскать не тривиальное решение. Отыскивание этих решений - есть классическая задача математической физики - задача Штурма-Лиувилля.
Решение этой задачи - функция - называется собственной функцией,
а
- собственные значения (это числа, которым
соответствуют собственные функции).
В теории колебаний, собственные функции называются ещё формами, собственные значения - частоты свободных колебаний.
Существует бесконечное множество
собственных значений и соответствующих им собственных
функций
.
Среди множества- есть нулевые. При
=0 уравнение (9) вырождается в уравнение:
(13)
Непосредственной проверкой можно
установить, что линейно независимые функции где
-
координата центра масс балки, удовлетворяющая уравнению (13) и граничным
условиям (11) и (12).
В дальнейшем будем считать, что
функциям соответствуют одинаковые перемещения всех
точек оси балки, а функции
соответствует
перемещение, пропорциональное разности
, то
есть поворот вокруг центра масс балки как жёсткого тела. Оба этих движения не
сопровождаются деформациями корпуса и таким образом собственные значения
=0 не определяют изгибных колебаний
корпуса.
Собственные значения (n=1,2...), не
равные нулю, присущи упругим колебаниям. Все они вещественные и положительные,
причём
.
Собственные функции , соответствующие различным собственным
значениям
, ортогональны на отрезке [o,l] c весом m(x).
Условие ортогональности:
(14)
Физически условие ортогональности означает, что упругие колебания балки по какому-либо тону, не могут вызвать упругих колебаний других тонов.
12.04.05 *
Рассмотрим форму.
Число перемен знака формы n-ого порядка тона равно n-1, иначе говоря узлы n-ой формы делят отрезок [0,l] на n частей.
При нулевых граничных условиях между 2 нулями n-ой формы расположен 1 нуль n+1 формы.
Из уравнения (9) следует, что функция , где с=const, также удовлетворяет
уравнению (9) и граничным условиям (11) и (12). Т.о. задача 9+11+12 определяет
форму
с точностью до постоянного множителя с.
Чтобы устранить эту неопределённость, производят их нормирование. Вводят
понятие нормированной формы:
В дальнейшем не будем делать различия между и
.
Задача 9+11+12 имеет точное аналитическое
решение для однородной балки, у которой и
(
-
изгибная жёсткость).
Если балка неоднородная, то точного аналитического решения не существует.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.