2.4 Tebranishlar va To'lqinlar — Nazariya
Hafta: 3 | Masalalar: 30 | Qiyinlik: ⭐⭐⭐
Kirish
Tebranishlar — vaqt bo'yicha takrorlanuvchi harakat. Robotika va dronlarda:
- 🎯 PID tuning — so'nuvchi tebranishlar
- 🚁 Dron barqarorligi — rezonansdan qochish
- 🔧 Sensor signallari — filtrlar va chastota tahlili
1. Oddiy Garmonik Harakat (SHM)
Ta'rif
Tiklash kuchi pozitsiyaga proporsional:
F=−kx
Harakat tenglamasi
mdt2d2x=−kx
dt2d2x+ω02x=0
Bu yerda ω0=mk — tabiiy burchak chastota.
Yechim
x(t)=Acos(ω0t+ϕ)
- A — amplituda
- ω0 — burchak chastota (rad/s)
- ϕ — boshlang'ich faza
Tezlik va tezlanish
v(t)=−Aω0sin(ω0t+ϕ)
a(t)=−Aω02cos(ω0t+ϕ)=−ω02x
2. Davriy Kattaliklar
Davr (Period)
T=ω02π=2πkm
Chastota
f=T1=2πω0
Maxsus tizimlar
Prujina-massa:
T=2πkm
Oddiy mayatnik:
T=2πgL
Fizik mayatnik:
T=2πmghI
3. Energiya
Kinetik va potensial
KE=21mv2=21mω02A2sin2(ω0t+ϕ)
PE=21kx2=21kA2cos2(ω0t+ϕ)
Umumiy energiya
E=KE+PE=21kA2=21mω02A2=const
4. So'nuvchi Tebranishlar
Ishqalanish yoki qarshilik mavjud bo'lganda:
Harakat tenglamasi
mdt2d2x+cdtdx+kx=0
c — damping koeffitsienti
Damping nisbati
ζ=2kmc=2mω0c
Uch holat
1. Underdamped (ζ<1):
x(t)=Ae−ζω0tcos(ωdt+ϕ)
Bu yerda ωd=ω01−ζ2 — damped chastota.
2. Critically damped (ζ=1):
x(t)=(A+Bt)e−ω0t
Eng tez muvozanatga qaytish, tebranishsiz.
3. Overdamped (ζ>1):
x(t)=Ae−α1t+Be−α2t
Sekin qaytish, tebranishsiz.
PID tuning — ko'pincha ζ≈0.7 maqsad qilinadi (tez va minimal overshoot).
5. Majburiy Tebranishlar
Tashqi kuch bilan haydalganda:
mdt2d2x+cdtdx+kx=F0cos(ωt)
Steady-state yechim
x(t)=Xcos(ωt−ϕ)
Amplituda:
X=(1−r2)2+(2ζr)2F0/k
Bu yerda r=ω/ω0 — chastota nisbati.
Faza kechikishi:
ϕ=arctan1−r22ζr
6. Rezonans
ω≈ω0 da amplituda keskin ortadi.
Rezonans chastotasi
ωr=ω01−2ζ2
(ζ<0.707 bo'lganda mavjud)
Sifat omili (Q-factor)
Q=2ζ1
Yuqori Q = tor rezonans, sekin so'nish.
Rezonansdan qochish kerak! Binolar, ko'priklar, dronlar — hammasi rezonansda buzilishi mumkin.
7. Bog'langan Tebranishlar
Ikki yoki undan ko'p tebranuvchi tizim:
Ikki mayatnik
m1x¨1+k1x1+kc(x1−x2)=0
m2x¨2+k2x2+kc(x2−x1)=0
Normal modlar
Tizim tabiiy chastotalari — xos qiymatlardan topiladi.
8. Robotikada Qo'llanilish
PID va Tebranishlar
Yomon tuning qilingan PID — tebranadi:
- Kp yuqori → underdamped, tebranadi
- Kd past → sekin so'nadi
- Ki yuqori → barqarorsiz bo'lishi mumkin
Dron Vibratsiyasi
Propeller muvozanatsizligi → vibratsiya → sensor xatolari
Filtr qo'llaniladi (low-pass):
yn=αxn+(1−α)yn−1
Suspension tizimlari
Robot chassis vibratsiyasini kamaytirish — damper dizayni.
9. To'lqinlar (Qisqacha)
To'lqin tenglamasi
∂t2∂2y=v2∂x2∂2y
Asosiy kattaliklar
- To'lqin uzunligi: λ
- Chastota: f
- Tezlik: v=λf
Xulosa
| Tushuncha | Formula | Ahamiyati |
|---|
| SHM | x=Acos(ωt) | Asosiy model |
| Davr | T=2πm/k | Vaqt xarakteristikasi |
| Damping | ζ=c/(2km) | So'nish darajasi |
| Rezonans | ω≈ω0 | Xavfli holat |
| Q-factor | Q=1/(2ζ) | Sifat o'lchovi |
Keyingi Qadam
📝 Masalalar — 30 ta masala yeching!