Derivando la amplitud de un resorte húmedo coulomb (fricción seca)

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Case study, the oscillation of the spring and the source of coulomb damping

Esta es la primera vez que publico algo, pero no pude averiguar la derivación de la amplitud del resorte para las 4 primeras oscilaciones. No estoy familiarizado con el efecto y los cálculos de la amortiguación ya que solo estoy en la escuela secundaria. Esta es una tarea que tengo, creo que estoy por encima de mi cabeza, pero he invertido demasiado tiempo en esto para cambiar el tema. Me imagino que la única desviación a la amortiguación clásica de Coulomb donde la fuente de disipación de energía se debe al peso que se desliza sobre una superficie, y la fuerza de fricción es constante y no cambia, es que el coeficiente de fricción cambia a medida que más bobinas Entra en el cilindro de papel que está comprimiendo el resorte. Los valores que tengo son la fuerza de fricción de cuando todo el resorte está dentro del cilindro de papel, la masa del peso, el alargamiento inicial del resorte (x nada) y la constante del resorte. classical coulomb damping case . ¡Si alguien me puede ayudar con mi tarea, estaría eternamente agradecido! Si no, con mucho gusto tomaría cualquier ayuda para derivar la amplitud del clásico caso de amortiguación de culombio como se ve arriba como una copia de seguridad. Además, si hay alguna regla que rompa con esta publicación, hágamelo saber. Esto es como se dijo anteriormente, la primera vez que publico algo, ¡y se debe a la pura desesperación ya que estoy muy por encima de mi cabeza! ¡Gracias por adelantado!

Obtuve 15 valores experimentales para las amplitudes en incrementos de media revolución durante 4 revoluciones, tomé los promedios y los inserté en una gráfica. La gráfica se puede ver aquí: https://gyazo.com/3e2d1c18b05a31d1eca88c411bdbb2cb .

Para resolver la ecuación de x (t) en la ecuación ma = -kz + F_r, donde obtendría Asin (wt) + Bcos (wt) + F_r / k, simplemente necesita igualarlo al desplazamiento inicial para calcular B y lo equipara con la derivada del desplazamiento, es decir, la velocidad inicial para obtener A. A es cero si no hay velocidad inicial, pero la pregunta sigue en pie, ¿cómo se obtiene -sgn (v) para que se pueda usar como valor? de fricción sobre la constante de resorte que daría el término de amortiguación. Supongo que podría obtenerse tomando -v / magnitud de v, pero ¿cómo calcularía la magnitud de v? Dado que resolver la ecuación sin ella simplemente resultaría en una función de coseno regular.

Sam
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Respuestas:

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Como esto es para la escuela, no quiero simplemente darte la respuesta. Haré lo mejor que pueda para darle alguna dirección sin regalarla por completo. No se sienta mal por sentirse desesperado, estos son los problemas en los que más aprende. No te rindas y mantente persistente. Tu capacidad de comprensión no tiene nada que ver con estar en la escuela secundaria, sino con tu dedicación al aprendizaje.

El desplazamiento del resorte es puramente una función de la fuerza y ​​el desplazamiento. en este caso, no solo debe considerar las fuerzas estáticas que actúan sobre el resorte, sino también la fuerza (dinámica) de d'lambert. Recordemos que F = Ma. haga su diagrama de cuerpo libre, pero también considere la fuerza dinámica en su FBD (que se opone a los cambios de dirección) para su derivación, comience con la ecuación de movimiento.

x (t) = a0 + a (t) ^ 2 + v0 + v (t) * t + x0. donde a0, v0 y x0 son los valores de aceleración, velocidad y posición en el tiempo = 0 que usted conoce.

Tu carga dinámica será la masa X, el término de aceleración en la ecuación de movimiento. puede resolver el componente de aceleración reorganizando la ecuación anterior. Para obtener la fuerza, multiplica ambos lados por la masa. a continuación, puede conectar y activar en Excel para obtener la respuesta (0

El efecto de la fricción dependerá de la velocidad. puede google para obtener más información sobre los coeficientes de amortiguación y su naturaleza dependiente del tiempo.

Inflexionist
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Pensé que la fricción con Coulomb o la fricción seca eran independientes de la velocidad, pero que la fricción viscosa depende de la velocidad. Y como la fricción de Coulomb es la fricción de dos superficies deslizantes, ¿no debería aplicarse aquí? Además, aquí no está la ecuación de movimiento. ma = -kx - Ff , donde Ff es la fuerza de fricción? Y gracias por la rápida respuesta y la ayuda! Y lo siento si me equivoco.
Sam
Creo que te estás acercando y tienes razón acerca de la fricción con Coulomb. En realidad, esto es un poco más complicado, pero sospecho que se están realizando algunas simplificaciones en su caso.
Inflexionist
Te estás acercando en tu derivación. No entiendas que tu aceleración proviene de la ecuación básica de movimiento. Puedes hacer otra sustitución allí.
Inflexionist
Otra sugerencia es que su fuerza de resorte cambiará de signo a medida que pasa por el punto de equilibrio y le falta un término de velocidad que también cambiará de signo a medida que ocurren las oscilaciones.
Inflexionist
Oh ok, entonces la ecuación que utilicé es defectuosa, ya que falta un término para velocidad. Acabo de hacer el experimento obteniendo la amplitud para las 4 primeras oscilaciones, el coeficiente de fricción del cilindro y la constante de resorte. Lo único que falta ahora son los valores teóricos para comparar con el experimental. Lo consideraré de nuevo y veré cómo debería ser la ecuación. Gracias de nuevo por la ayuda, es muy apreciado!
Sam