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九州大学 工学府 機械系専攻 2019年8月実施 機械力学 問3

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

図のように、左端および右端にそれぞれ長手方向の外力 F1(t)F_1(t) および F2(t)F_2(t) が作用する長さ ll、密度 ρ\rho、ヤング率 EE、断面積 AA の一様な棒の定常振動を考える。棒の左端の位置を原点 O として棒の長手方向に xx 軸をとり、時刻 tt における棒の長手方向変位を u(x,t)u(x,t) で表す。振動は微小であり、重力の影響はないものとして、以下の問いに答えよ。(50点)

(1) 棒の縦振動を表す運動方程式(波動方程式)を導出せよ。

(2) F1(t)=0, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=0,\ F_2(t)=F\cos\Omega t のときの定常振動解を u(x,t)=U(x)cos⁡Ωtu(x,t)=U(x)\cos\Omega t とする。U(x)U(x) を求めよ。

(3) F1(t)=Fsin⁡Ωt, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=F\sin\Omega t,\ F_2(t)=F\cos\Omega t のときの定常振動解を求めよ。

(4) F1(t)=Fsin⁡Ωt, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=F\sin\Omega t,\ F_2(t)=F\cos\Omega t のときの定常振動について、外力の 1 周期の間に外力 F1(t)F_1(t) および F2(t)F_2(t) がなす仕事を求めよ。

棒の両端に作用する外力の原図

题目描述​

如图,长度为 ll、密度为 ρ\rho、杨氏模量为 EE、截面积为 AA 的均匀杆,其左、右端分别受到沿长度方向的外力 F1(t),F2(t)F_1(t),F_2(t)。考虑杆的稳态振动。以杆左端为原点 O,沿长度方向取 xx 轴,用 u(x,t)u(x,t) 表示时刻 tt 杆的纵向位移。振动微小,不计重力影响。回答下列问题。(50分)

(1) 推导描述杆纵向振动的运动方程(波动方程)。

(2) 当 F1(t)=0, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=0,\ F_2(t)=F\cos\Omega t 时,设稳态振动解为 u(x,t)=U(x)cos⁡Ωtu(x,t)=U(x)\cos\Omega t,求 U(x)U(x)。

(3) 当 F1(t)=Fsin⁡Ωt, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=F\sin\Omega t,\ F_2(t)=F\cos\Omega t 时,求稳态振动解。

(4) 对 F1(t)=Fsin⁡Ωt, F2(t)=Fcos⁡ΩtF_1(t)=F\sin\Omega t,\ F_2(t)=F\cos\Omega t 时的稳态振动,求一个外力周期内 F1(t)F_1(t) 和 F2(t)F_2(t) 所做的功。

Kai​

(1)​

軸力 N=EAuxN=EAu_x であるから、微小部分 dxdx に対して

ρA dx utt=N(x+dx,t)−N(x,t)=EAuxx dx.\begin{gathered} \rho A\,dx\,u_{tt}=N(x+dx,t)-N(x,t)\\ =EAu_{xx}\,dx. \end{gathered}

したがって

utt=c2uxx,c=E/ρ.\boxed{u_{tt}=c^2u_{xx}},\qquad c=\sqrt{E/\rho}.

端面の法線の向きを考慮すると境界条件は EAux(0,t)=F1(t)EAu_x(0,t)=F_1(t)、EAux(l,t)=F2(t)EAu_x(l,t)=F_2(t) である。

(2)​

β=Ω/c\beta=\Omega/c とする。U′′+β2U=0U''+\beta^2U=0 なので U=Ccos⁡βx+Dsin⁡βxU=C\cos\beta x+D\sin\beta x。EAU′(0)=0EAU'(0)=0 より D=0D=0、EAU′(l)=FEAU'(l)=F より

U(x)=−Fcos⁡βxEAβsin⁡βl.\boxed{U(x)=-\frac{F\cos\beta x}{EA\beta\sin\beta l}}.

以下は Ω>0\Omega>0、sin⁡βl≠0\sin\beta l\ne0 の非共振の場合である。共振点では一般にこの有界な定常解は存在しない。

(3)​

左端の正弦加振に対する解を (2) に重ね合わせると

u(x,t)=FEAβsin⁡βl{cos⁡β(l−x)sin⁡Ωt−cos⁡βxcos⁡Ωt}.\boxed{u(x,t)=\frac{F}{EA\beta\sin\beta l} \{\cos\beta(l-x)\sin\Omega t-\cos\beta x\cos\Omega t\}}.

微分すれば両端の境界条件を満たす。

(4)​

K=F/(EAβsin⁡βl)K=F/(EA\beta\sin\beta l) とおく。左端の力は −x-x 向きであるから

W1=∫02π/Ω[−Fsin⁡Ωt]ut(0,t) dt=−πFK,\begin{gathered} W_1=\int_0^{2\pi/\Omega}[-F\sin\Omega t]u_t(0,t)\,dt\\ =-\pi FK, \end{gathered}
W2=∫02π/Ω[Fcos⁡Ωt]ut(l,t) dt=πFK.W_2=\int_0^{2\pi/\Omega}[F\cos\Omega t]u_t(l,t)\,dt =\pi FK.

よって

W1=−πF2EAβsin⁡βl,W2=πF2EAβsin⁡βl.\boxed{\begin{gathered} W_1=-\frac{\pi F^2}{EA\beta\sin\beta l},\\ W_2=\frac{\pi F^2}{EA\beta\sin\beta l} \end{gathered}}.

W1+W2=0W_1+W_2=0 は、減衰のない定常振動の一周期でエネルギーが元に戻ることと一致する。

Reference​