TMA 4110 Matematikk 3 Høsten 2004 Svingeligningen med kompleks regnemåte

Like dokumenter
Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

Løsningsforslag til øving 5

FYS2130. Tillegg til kapittel 13. Harmonisk oscillator. Løsning med komplekse tall

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

MEK4510 Svingninger i konstruksjoner

TMA4115 Matematikk 3 Vår 2012

Onsdag og fredag

TFY4160 Bølgefysikk/FY1002 Generell Fysikk II 1. Løsning Øving 2. m d2 x. k = mω0 2 = m. k = dt 2 + bdx + kx = 0 (7)

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Løsningsforslag til øving 1

Oppsummering om kretser med R, L og C FYS1120

Repetisjon: LTI-systemer

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

MA1410: Analyse - Notat om differensiallikninger

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

9 + 4 (kan bli endringer)

Obligatorisk oppgave nr 3 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Skinndybde. FYS 2130

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Elektriske svingekretser - FYS2130

Løsningsforslag til øving 4

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

z = a + jb Mål Komplekse tall: Sum og produkt Komplekse tall

Kompleks eksponentialform. Eulers inverse formler. Eulers formel. Polar til kartesisk. Kartesisk til polar. Det komplekse signalet

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

For å finne amplituden kan vi f.eks. ta utgangspunkt i AB=-30 og siden vi nå kjenner B finner vi A :

Denne ligninga beskriver en udempet harmonisk oscillator. Torsjons-svingning. En stav er festet midt på en tråd som er festet i begge ender.

a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene.

Svingninger i en elektrisk RCL-krets med og uten påtrykt vekselspenning.

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

Diffraksjonsgitter (diffraction grating)

0.1 Kort introduksjon til komplekse tall

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

TMA4215 Numerisk matematikk

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

Forelesning nr.13 INF 1410

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Som vanlig er enkelte oppgaver kopiert fra tidligere års løsningsforslag. Derfor kan notasjon, språk og stil variere noe fra oppgave til oppgave.

Løsningsforslag eksamen i TMA4100 Matematikk desember Side 1 av 7

Løsningsforslag til øving 2

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

Emne 11 Differensiallikninger

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

Test, 4 Differensiallikninger

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger. Vi skal se på: Udempet harmonisk svingning. kap

y = x y, y 2 x 2 = c,

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Løsningsforslag til øving

Kap. 14 Mekaniske svingninger

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 8. juni 2007 kl

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Kort innføring i polynomdivisjon for MAT 1100

Kapittel 2. Fourier analyse. 2.1 Fourier transform*

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

5.5 Komplekse egenverdier

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag, eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

Forelesning nr.12 INF 1410

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del B: Kompleks analyse

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

Matematikk 4 TMA4123M og TMA 4125N 20. Mai 2011 Løsningsforslag med utfyllende kommentarer

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag eksamen 18/ MA1102

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Løsningsforslag til øving 4

UNIVERSITETET I BERGEN

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

Numerisk løsning av differensiallikninger Eulers metode,eulers m

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 12 1 LØSNING ØVING 12. Spinnpresonans. 2 hσ blir resultatet. 0 e

Transkript:

TMA 4 Matematikk Høsten 4 Svingeligningen med kompleks regnemåte H.E.K., Inst. for matematiske fag, NTNU Svingeligningen forekommer i mange sammenhenger, og ofte vil vi møte regning og utledninger der den påtrykte kraften, eller mer generelt eksitasjonen (høyresiden i ligningen), skrives r (t) = ae iωt. Dette ser jo merkelig ut. Hvordan kan, for eksempel, en reell kraft være kompleks? Hensikten med dette lille notatet er å avmystifisere regnemåten og vise at det ikke er helt uten grunn at den har blitt populær. Notatet kan godt gjemmes (eller glemmes) til en får bruk for det, for eksempel i forbindelse med dynamisk analyse av konstruksjoner. Det hele er altså kun en litt smart måte å regne på. Samme beregning kan gjennomføres med reelle funksjoner (slik vi finner det i Kreyszig, avsn..), og sluttsvaret, - som er det som betyr noe, vil bli det samme. Utgangspunktet er svingeligningen med en periodisk eksitasjon: d y (t) dt dy (t) + c + ω dt y (t) = a cos (ωt). () Her har vi allerede delt på massen, slik at ligningen er på standardformen. Løsningen til lign. kan skrives y (t) = y H (t) + y P (t), () der y H er generell løsning av den homogene ligningen og y P er en partikulærløsning. Vi har allerede sett hvordan vi finner y H, og vet at hvis dempningen c er større enn, noe vi skal anta her, vil løsningen dø ut med tiden. Ingeniører kaller y H (t) for den transiente delen av løsningen, eller bare transienten. Transienten avhenger av startbetingelsene. Etter at transienten har dødd ut, er løsningen lik y P, og det er denne løsningen vi nå skal ta for oss. Nedenfor bruker vi ẏ og ÿ om de tidsderiverte. La oss videre skrive y R og y I om løsningene til ligningene ÿ R + cẏ R + ω y R = a cos (ωt), () ÿ I + cẏ I + ω y I = a sin (ωt). (4)

Vi multipliser den nederste ligningen med i og summerer. Dette gir oss (ÿ R + iÿ I ) + c (ẏ R + iẏ I ) + ω (y R + iy I ) = a [cos (ωt) + i sin (ωt)] = ae iωt. Deretter setter vi slik at vi får én kombinert ligning, Y = y R + iy I, Ÿ + cẏ + ω Y = ae iωt. (5) Når vi kjenner løsningen Y (t) til ligning 5, finner vi altså løsningene til både ligning og 4 ved å regne ut y R = Re (Y ), y I = Im (Y ). Fra ubestemte koeffisienters metode ser vi at partikulærløsningen til lign. 5 kan være på formen Y P (t) = Zae iωt, der Z nå er en kompleks konstant. Dette setter vi inn i lign. 5 og får: Za ( (iω) ) + c (iω) + ω e iωt = ae iωt eller, etter å ha forkortet, Partikulærløsningen blir følgelig Z (ω) =. (6) ω + c (iω) + ω Y P (t) = ω ω + icω aeiωt. Stort enklere kan det ikke bli, men vi må naturligvis regne ut realdelen av dette for å finne y p i lign. (og ). Konstanten Z, som altså er en funksjon av ω med c og ω som parametre, kalles for en transferfunksjon. Vi kan skrive ( ω ω ) + i (cω) = Re iφ (7) og ser da lett at R = (ω ω ) + (cω), cω φ = arctan (ω ω ). (8)

Legg merke til (fra ligning 7) at siden c er større enn, vil vi ha: Tilslutt finner vi Z (ω) = ω = : φ =, < ω < ω : < φ < π, ω = ω : φ = π, π ω < ω : < φ < π, ω : φ π. og partikulærløsningen til lign. blir følgelig R (ω) e iφ(ω) = R (ω) e iφ(ω), (9) y p (t) = Re (Y P (t)) = Re ( Zae iωt) ( ) e i(ωt φ) = a Re R = a cos [ωt φ (ω)] R (ω) () Vi finner altså y p (t) ganske enkelt ved å multiplisere eksitasjonen med en forsterkningsfaktor, Z (ω) = R (ω), () og trekke fra en fasevinkel, φ (ω), i argumentet for cosinus. Funksjonene Z (ω) og φ (ω) er tegnet opp for noen verdier av c/ω i figur. Dette er figurer som fins i alle bøker om svingninger (en litt unøyaktig utgave er vist på s. 6 i Kreyszig. Merk også at der skrives ligningen med c istedet for c). På figur er det vist noen få løsninger for problemet y + cy + ω y = cos(ωt), y() =, ẏ () =, for c/ω =. (de blå kurvene på figur ) og ω = (egensvingeperioden er altså π). Øverst er ω = ω /, og responsen følger etterhvert eksitasjonen sånn noenlunde. Deretter er ω = ω og vi har resonans. Her bygger responsen seg opp til en amplitude som er.5 ganger større enn eksitasjonen! Dessuten kommer maksimum respons en kvart periode etter maksimum eksitasjon (φ = π/). Nederst er ω = ω og nå greier ikke massen helt å følge med. Eksitasjon og respons svinger nesten i motfase (φ π). Stemmer alt dette med figur?

Z(ω).5.5..5.. 5..5.5.5.5 ω/ω 8 5 φ(ω) [deg] 9..5 45.. 5..5.5.5 ω/ω Figure : Forsterkningsfaktor Z og faseforskyvning φ for noen verdier av c/ω. Her svarer c/ω < til underkritisk, c/ω = svarer til kritisk, og c/ω > svarer til overkritisk dempning 4

ω = ω / Eksitasjon og løsning 5 5 5 Tid ω = ω Eksitasjon og løsning 5 5 5 Tid ω = *ω Eksitasjon og løsning 5 5 5 Tid Figure : Eksitasjon (rød) og løsning (blå) for c =. og ω =, for ω = ω /, ω og ω. 5

Løsningene er regnet ut numerisk vha. Matlab. De analytiske uttrykkene blir litt grisete, men ikke vanskelig å regne ut. Hvis c = og ω = ω, vil problemet ha partikulærløsningen ÿ + ω y = a cos (ω t) () y P (t) = a ω t sin (ω t). () (sjekk!). Her vil derfor amplituden vokse lineært med tiden. Slik går også løsningen for ω = ω på figur i starten, men der stabiliserer amplituden seg på verdien R (ω ) = =, (ω ω) + (cω ) cω Den komplekse regnemåten har sin store fordel når vi ser på mer kompliserte ligninger. Men det er ikke så enkelt å huske formlene i lign. 8, mens utledningen av partikulærløsningen til lign. 5 kan skrives opp umiddelbart, og mye mer direkte enn å plundre med cos og sin. 6