a ´itico e supercr´ - divisão de ciências fundamentais...
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Oscilacoes
AMORTECIMENTOS SUBCRITICO, CRITICO E
SUPERCRITICOMecanica II (FIS-26)
Prof. Dr. Ronaldo Rodrigues Pela
IEFF-ITA
20 de marco de 2013
R.R.Pela Oscilacoes
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Oscilacoes
Roteiro
1 OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Roteiro
1 OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Exemplo
Calcule o perıodo de pequenas oscilacoes do pendulo
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Solucao
Considerando um angulo θ:
(4Ma2)θ = −Mg(2a) sin θ − ka2 sin θ
sin θ ∼= θ,
θ +
(g
2a+
k
4M
)θ = 0
T = 2π
(g
2a+
k
4M
)− 12
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Um bloco de 10,0kg esta suspenso por uma corda enrolada emtorno de um disco de 5,00 kg. Se a mola tem uma rigidezk = 200 N/m, determine o perıodo natural de vibracao dosistema.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Solucao
Ec =Mx2
2+I02
(x
r
)2
I0 =mr2
2
∴ Ec =x2
2
(M +
m
2
)Ep =
1
2k(x+ x20)−Mgx
E =x2
2
(M +
m
2
)+
1
2k(x+ x0)
2 −Mgx
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Solucao
Derivando em relacao a t:
0 = xx(M +
m
2
)+ k(x+ x0)x−Mgx(
M +m
2
)x+ k(x+ x0)−Mg = 0
Fazendo a mudanca y = x+ x0 −Mg
k(M +
m
2
)y + ky = 0
Portanto:
w0 =
√k
M + m2
= 4,00 rad/s
T =2π
w0= 1,57 s
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Desafio
Considere uma barra delgada de comprimento L que seencontra sobre um hemisferio fixo de raio r. Determine operiodo de pequenas oscilacoes da barra.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Introducao
As oscilacoes harmonicas simples estudadasanteriormente, ocorrem em sistemas conservativos.Na pratica, sempre existe dissipacao de energia.
Por exemplo, no cado de um pendulo, as oscilacoes seamortecem devido a resistencia do ar (alem do atrito nosuporte).
O modelo para a forca de amortecimento e f = −ρvEla e designada como forca de atrito viscoso (ja que aresistencia de um fluido ao deslocamento de um obstaculoe proporcional a velocidade – para velocidadessuficientemente pequenas).
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Introducao
Para um oscilador unidimensional, a inclusao de um atritoviscoso resulta em
Mx = −kx− ρxx+ 2γx+ w2
0x = 0
Sendo γ =ρ
2Me w0 =
√k
M. Esta EDO possui a seguinte
equacao caracterıstica:
λ2 + 2γλ+ w20 = 0 ∆ = 4(γ2 − w2
0)
E dependendo do sinal do ∆, teremos solucoesqualitativamente bem diferentes para a EDO.
∆ > 0 (supercrıtico): solucoes sao exponenciais∆ < 0 (subcrıtico): solucoes sao oscilatorias comamplitude decrescente∆ = 0 (crıtico): solucao exponencial
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento supercrıtico (γ > w0)
A equacao caracterıstica admite duas solucoes reais edistintas:
λ1 = −γ +√γ2 − w2
0
λ2 = −γ −√γ2 − w2
0
Note que:λ1 < λ2 < 0
Solucao geral da EDO:
x(t) = aeλ1t + beλ2t = e−γt(a∗ coshw∗dt+ b∗ sinhw∗
dt)
w∗d =
√γ2 − w2
0
Sendo a e b determinados a partir das condicoes iniciais.R.R.Pela Oscilacoes
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento supercrıtico (γ > w0)
E interessante notar que para t→∞, x→ 0, ou seja, osistema tende a permanecer em repouso na posicao deequilıbrio apos um tempo suficientemente grande.Alem disso, o sistema nem sequer chega a oscilar, ouseja, γ > w0 representa uma situacao de elevadoamortecimento.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento subcrıtico (γ < w0))
As solucoes da equacao caracterıstica sao duas raızescomplexo-conjugadas
λ1 = −γ + iwd
λ2 = −γ − iwd
Sendo wd =√w20 − γ2
A solucao geral da EDO e:
x(t) = e−γt(a sinwdt+ b coswdt)
= Ae−γt cos(wdt+ϕ) = Ae−γt sin(wdt+φ)
Esta e uma solucao que oscila comamplitude decrescente.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento subcrıtico (γ < w0)
Td: perıodo das oscilacoes amortecidas oupseudo-perıodo ou simplesmente perıodo.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento subcrıtico (γ < w0)
E interessante analisar qual fracao da energia e dissipadaem cada ciclo do oscilador.Para tanto, consideremos (de forma aproximada) um ciclocomo a ocorrencia de dois maximos na amplitude.
x1 = Ae−γt1
x2 ∼= Ae−γt1−γTd = x1e−γTd
Energia armazenada =kx212
Energia dissipada ∼=kx212
(1− e−2γTd)
∼=kx212
(2γTd)
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento subcrıtico (γ < w0)
Pode-se definir o fator de qualidade do oscilador como:
Q = 2π
(Energia armazenada
Energia dissipada num ciclo
)∼= 2π
1
2γTd=wd2γ
Q ∼=w0
2γ
Note que, quanto maior o Q, menor o amortecimento(menor perda de energia).Estas ultimas deducoes sao validas quando oamortecimento e pequeno, ou seja, quando γ << w0.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Amortecimento crıtico (γ = w0)
A equacao caracterıstica, neste caso, tem uma raiz dupla
λ = −γ
A solucao geral da EDO e
x(t) = e−γt(a+ bt)
Esta solucao (em geral) decai mais rapidamente (paratempos grandes) que a solucao supercrıtica.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
O balanco de energia
Ja vimos que a equacao de oscilador amortecido e:
Mx+ ρx+ kx = 0
Multiplicando por x:
Mxx+ kxx = −ρx2 ,
Mxx+ kxx =dEMEC
dt, e
ρx2 e a potencia da forca de atrito viscoso = Fv
Note quedEMEC
dt< 0, isto e, a energia mecanica sempre
diminui.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Exemplo
A barra tem uma massa de 3,00 kg. Se a rigidez da mola ek = 120 N/m e o amortecedor tem um coeficiente deamortecimento c = 1,00 kN.s/m, determine a equacaodiferencial que descreve o movimento em termos do angulo θde rotacao da barra. Alem disso, qual deveria ser o coeficientede amortecimento para um movimento criticamenteamortecido?
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Exemplo
Considerando um pequeno deslocamento angular θ.
Analisando os torques em relacao ao ponto C:
−k(θ−θ0)L2 − cθb2 −MgL
2=ML2
3θ
ML2
3θ + cb2θ + k(θ − θ0)L2 +Mg
L
2= 0
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Exemplo
Com a mudanca α = θ − θ0 +MgL
2kα2
ML2
3α+ cb2α+ kL2α = 0
α+3cb2
ML2α+
3k
Mα = 0
9c2b4
M2L4=
4.3.k
MSubstituindo:
α+ 360α+ 120α = 0→ amortecimento supercrıtico
Para amortecimento crıtico:
ccr = 2
√Mk
3
(L
b
)2
= 60,9 Ns/m
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Introducao
Vamos estudar agora o efeito produzido sobre o osciladorpor uma forca externa F (t). Estudaremos dois casos paraF (t):
F (t) = F0 → degrau de amplitude F0
F (t) = F0 sinwt
O primeiro caso e bastante simples de ser analisado, mastem uma importancia capital em projetos de controladores.No segundo caso a forca externa e periodica comfrequencia angular w, que pode coincidir ou nao com afrequencia natural do proprio oscilador.A EDO de um oscilador forcado e:
Mx+ ρx+ kx = F (t)
EDOL nao homogenea de 2a ordem.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Resposta ao degrau
Se F (t) = F0 = kx0, entao a resposta do oscilador sera:
x(t) = x0 + xH(t) (1)
A solucao completa e a mesma do caso homogeneo, amenos de um deslocamento (“shift”) de x0.
xH(t) =
Aeλ1t +Beλ2t, amortecimento supercrıticoAe−γt sin(wdt+ φ), amortecimento subcrıticoe−γt(A+Bt), amortecimento crıtico
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Resposta ao degrau
E interessante estudar caso de uma entrada degrauporque ele aparece muito em problemas de engenharia.Os sistemas fısicos, por mais complexos que parecam,comumente admitem um modelo simplificado de sistemamassa-mola.Quando e necessario controlar um sistema fısico,geralmente se aplica uma forca F (t) (ou uma correnteI(t), ou uma tensao E(t), ou algum outro mecanismoatuador, conforme o caso) para que ele se comporte comodesejado.O caso em que F (t) = kx0 e muito comum:, geralmentedeseja-se que o sistema (considerado inicialmente emrepouso na posicao x = 0) atinja a posicao x0 (a novaposicao de equilıbrio) o mais rapido possıvel e aıpermaneca.Vamos vislumbrar como isso e possıvel para o casosubcrıtico (o mais comum).
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Resposta ao degrau
Nas hipoteses de condicoes iniciais nulas, a solucao e:
x(t) = x0
[1− e−γt sin(wdt+ β)
sinβ
]sendo β o suplementar do argumento do complexo−γ + iwd.
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OscilacoesPendulosOscilacoes AmortecidasOscilacoes forcadas
Resposta ao degrau
Para esta situacao, a resposta x(t) aparece plotada nafigura seguinte
Mp: “overshoot” (mede o quanto o primeiro pico se afasta,percentualmente de x0): Mp = e−π cot β
tr: tempo de subida (“rise time”): tr ∼=π − βwd
ts: tempo de estabilizacao (“settling time”):
ts ∼=3
γ(para ± 5%)
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