Динамічний ефект несиметрії силової характеристики дисипативних осциляторів

Abstract

Розглянуто особливості руху нелінійного осцилятора після навантаження його миттєвим силовим імпульсом. Пружна характеристика має вигляд ламаної лінії, складеної з двох відрізків прямих. Основну увагу приділено впливу дисипативних сил на можливість прояву динамічного ефекту несиметрії пружної характеристики, який вивчали раніше без урахування впливу цих сил. Розглянуто чотири варіанти сил опору. Це лінійний вʼязкий опір, сухе тертя Кулона, позиційне тертя і квадратичний вʼязкий опір. Для двох перших з них методом припасовування побудовано аналітичні розвʼязки диференціального рівняння коливань і виведено формули для обчислення розмахів. Встановлено нерівності, при виконанні яких проявляється динамічний ефект несиметрії силової характеристики. Умови прояву ефекту при наявності позиційного тертя виведено із енергетичних співвідношень, без розвʼязування диференціального рівняння руху. Його перший інтеграл вумовах квадратичного опору виражено через функцію Ламберта відʼємного або додатного аргументів, в залежності від значення заданої початкової швидкості руху. Показано, що при малих стартових швидкостях проявляється згаданий ефект, а при великих – він відсутній. Для обчислення значень функції Ламберта рекомендовано проводити лінійну інтерполяцію табличних даних або використовувати відомі асимптотичні формули, що виражають її через елементарні функції з похибкою меншою за один відсоток. Викладення теорії супроводжується прикладами конкретних розрахунків. Показано повну відповідність числових результатів, до яких приводять виведені розрахункові формули, та чисельне інтегрування на компʼютері нелінійного диференціального рівняння руху осцилятора.The features of motion of a non-linear oscillator under the instantaneous force pulse loading are studied. The elastic characteristic of the oscillator is given by a polygonal chain consisting of two linear segments. The focus of the paper is on the influence of the dissipative forces on the possibility of occurrence of the elastic characteristic non-symmetry dynamic effect, studied previously withouttaking into account the influence of these forces. Four types of drag forces are considered, namely linear viscousfriction, Coulomb dry friction, position friction, and quadratic viscous resistance. For the cases of linear viscous friction and Coulomb dry friction the analytical solutions of the differential equation of oscillations are found by the fitting method and the formulae for computing the swings are derived. The conditions on the parameters of the problem are determined for which the elastic characteristic non-symmetry dynamic effect occurs in the system. The conditions for the effect to occur in the system with theposition friction are derived from the energy relations without solving the differential equation of motion. In the case of quadratic viscous frictionthe first integral of the differential equation of motion is given by the Lambert function of either positive or negative argument depending on the value of the initial velocity. The elastic characteristic non-symmetry dynamic effect is shown to occur for small initial velocities, whereas it is absent from the system when the initial velocities are sufficiently large. The values of the Lambert function are proposed to be computed by either linear interpolation of the known data or approximation of the Lambert function by elementary functions using asymptotic formulae which approximation error is less than 1%. The theoretical study presented in the paper is followed up by computational examples. The results of the computations by the formulae proposed in the paper are shown to be in perfect agreement with the results of numerical integration of the differential equation of motion of the oscillator using a computer.