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4,2 Análise da dinâmica do Pêndulo de Wilberforce

Para a análise do Pêndulo de Wilberforce baseamo-nos em bibliografia diversa, da qual destacamos Berg e Partnof (Berg, 1991; Partnof, 2004).

Consideremos o Pêndulo de Wilberforce representado na figura 4.2, constituído por uma mola de massa desprezável, de constante elástica K e constante de torção ô. Na extremidade livre dessa mola colocamos um corpo de massa m e d e momento de inércia /, relativamente ao

eixo longitudinal da mola. Seja z = 9 - 0 as coordenadas da posição de equilíbrio do sistema. O movimento do sistema é descrito pela dependência temporal das coordenadas z e 9. Na análise do movimento do pêndulo de Wilberforce utilizaremos a formulação lagrangeana devido ao facto de ser mais simples a introdução da parcela de acoplamento em termos de energia. No que se segue, admitiremos que existe um acoplamento linear entre os movimentos de extensão e de torção, dada por — sz9 . Assim, o Lagrangeano do sistema é dado por:

L = T-U = -mé2 +-I92 --Kz2 --Õ02 --ez0,

2 2 2 2 2

(4.1)

As equações do movimento são obtidas a partir das equações de Lagrange:

d_ dt

'dL" dl

dàj ) dqj

= 0. (4.2)

Tendo em atenção ao Lagrangeano (4.1), as equações do movimento do pêndulo são dadas por:

2

I0 + ÔO + -£Z = O

(4.3) (4.4)

Reparemos que se £ = 0. as equações que se obtêm são formalmente idênticas às equações do oscilador harmónico, havendo independência entre a oscilação de extensão e a oscilação de torção.

Eliminando z entre as equações (4.3) e (4.4) chegamos à equação:

d'9 U í 2 i\au

.2 \

(Û:CÙ0 -

Ami 9 = 0, (4.5)

I/

em que co: = — é a frequência angular das oscilações de extensão do pêndulo elástico e m

a>l -— é a frequência angular das oscilações de torção. Procedendo de forma semelhante para

eliminar 0 das equações (4.3) e (4.4), obtemos:

dxz z 1 y A"~i\d2z z

co:co~0 -

Ami z = 0. (4.6)

Podemos observar que as equações (4.5) e (4.6) são formalmente idênticas. Procuramos soluções de (4.5) e (4.6) da forma:

z{t)=A^{",,+* (4.7)

9{t) = A2ei{ (Ol+{/>) (4.8)

Substituindo (4.7) e (4.8) em (4.5) e (4.6), obtemos uma equação de quarto grau em co :

&>4 -\co: +&>j)cy2 + col CO '0 e2

V Ami

= 0, (4.9)

)

cujas soluções são as frequências próprias ou frequências normais de oscilação do sistema:

2 1 CO, = - 1 2 co] +ú}1- + [co]-co:) ml (4.10) 86

co; co'e + COI [COI-CÛ])' + ■

ml (4.11)

Notemos que se £ = 0, então obtemos co\ = coj e co\ = <a\, que são as frequências das oscilações de extensão e de torção desacopladas. Notemos ainda que as frequências próprias são função do momento de inércia do sistema.

Quando a frequência de oscilação co do corpo for igual às frequências naturais co. e a>8

podemos observar o sistema a oscilar num modo normal. Nesta condição a frequência co. = co0

e podemos fazer a substituição coff = co. = co nas equações (4.10) e (4.11) obtendo-se:

cor = co' + (4.12)

co; = co' — = =

!ml

(4.13)

Se fizermos coB = s H ml, as equações (4.12) e (4.13) ficam:

, co.

CO[ = co~ + (4.14)

i 2 CO,

co; = co~ (4.15)

Subtraindo membro a membro as equações (4.14) e (4.15), obtemos:

co,, = co, — CO-,. (4.16)

donde concluímos que coR é a frequência de batimento.

Uma vez conhecidas as frequências próprias, podemos conhecer a relação das amplitudes de oscilação longitudinal e de oscilação de torção. A razão destas amplitudes depende da frequência do modo normal. Considerando que o sistema em oscilação está num modo normal, as massas podem oscilar com a mesma frequência e a mesma fase na oscilação longitudinal e na oscilação de torção, mas com amplitudes diferentes.

Como já vimos as soluções das equações (4.3) e (4.4) são da forma das equações (4.7) e (4.8). Vamos agora escrever as equações (4.7) e (4.8) na forma:

z(t) = A1 cos(ûrf + <j>) (4.17)

0(t)=A2cos(cot + 0), (4.18)

onde Ai é a amplitude do modo longitudinal eAjéa amplitude do modo angular. A primeira e a segunda derivada das equações (4.17) e (4.18) são:

z{f) = -Aicùsen{oùt + $ (4.19)

ô(t) = -A2Cûsen(œt + ¢) (4.20)

z(t) = -Alco2 cos(œt + 0) (4.21)

d(t) = -A2Û)2 cos(cot + ¢). (4.22)

Substituindo as igualdades (4.19) a (4.22) em (4.3) e (4.4), obtemos:

m[- Axor cos(ûtf +^))+ KAX cos(cot +$+—aA2 cos(cot + $)= 0 (4.23)

/ ( - A2ú)2 cos((ot + ¢))+ õA2 cos(cot + ^) + - ^ 4 , cos(ú)t + ¢) = 0. (4.24)

Eliminando cos(cot + $ e dividindo tudo por m, na equação (4.23) obtemos:

K

co 4 + A2 = 0.

2m

(4.25)

De igual modo, eliminando cos(&>/ + ¢) e dividindo tudo por / na equação (4.24), obtemos:

í x \

2/ ■A, + -CO' ) A,= 0, (4.26)

ou equivalentemente:

[cal - co2 )A{ + — A, = 0

2m (4.27)

2/ /4, +(fyj -co2)A2 = 0. (4.28)

Vamos agora determinar a razão entre as amplitudes Ai e .-K das direcções z e 0 quando os sistema se encontra num modo normal. Para isso escolhermos co tal que torne as equações (4.27) e (4.28) linearmente dependentes e resolvemos uma das equações para encontrar a razão das amplitudes. Começando por substituir co2, = co] = co1, na equação (4.10), obtemos

cor = co' +

V4w7 (4.29)

Substituindo a equação (4.29) e co2 por co2 na equação (4.27) obtemos:

A2 \m

(4.30)

Vamos agora utilizar o mesmo método para determinar a razão das amplitudes, utilizando a segunda frequência normal dada pela equação (4.11). Do mesmo modo, vamos começar por substituir co: = a>2 = co2 na equação (4.11) e obtemos:

a>2 = co~ -

yJ4ml (4.31)

Substituindo a equação (4.31) e CÙ\ por or na equação (4.27). obtemos:

.1,

r, = , — . (4.32)

As razões das amplitudes A / e ^ , assoeiadas a cada modo normal de vibração, é dada por:

A\ (D

A (D (4.33)

A\ (2)

(2) ~ ^ - r\ (4.34)

em que os índices entre parêntesis indicam a que frequência. <y, ou <y2, são determinadas as

razões.

Os vectores próprios associados a cada modo normal, podem ser escritos da seguinte forma: (1)

V')(/)l

^4^003(^^+^,)

y

if

(0

r,^4| ^cos(u?|í + ^| ) U) _ .^(2,(/)_ = A\2> cos(co2t +<fi2) r2A{2' cos(u)2í + ^2] =primeiro modo (4.35) : segundo modo. (4.36)

Os movimentos de extensão longitudinal e de torção são descritos pelas equações:

z(t)=z{l)(t)+z{2)(t)=All)cos(colt + ^)+Al2)cos{co2t + ^) (4.37)

0(f) = 0(1>(f)+0<2>(/)= 4&V, COS(Û>,/ + ^ ) + 4(2)r2 cos(u>2/ + 02) . (4.38)

Consideremos que condições iniciais do movimento do pêndulo são:

*(o) = *o,

i(0)=0,

0(0)=e0,

#(o)=0. (4.39)

Tendo em consideração estas condições iniciais nas equações (4.38) e (4.39). podemos determinar as equações para o cálculo de A[' e A[{2) e os ângulos de fase ¢, e 02 em função de

r,, r2 , «y, e <w2. Tais equações são:

z0 = /í,(1)cos^, +/í|2 ,cos^2

0 = -coxA['sen$x -co2A^sen02

0O =rlA{1'cos fa + r2A\1] cos$2

0 = -rlcoyA[\)sen0[ -r1cu1A^)sen0,. (4.40)

Resolvendo este sistema em ordem a A{', Af', <j)x e ¢-,, obtemos:

^1 ( , ,=! :^± £ í L^ (4.41)

r, - r ,

4(2) = ^ ° Z° , (4.42)

r, - r ,

¢, = & = 0 . (4.43)

Considerando que r, = -r2 = J— as soluções para z(t) e 0(t) são:

< * ) ■ ■ A+Zo 6, o - o -cosco.t + -cos co 2í (4.44) 0(i) = 0O +z0 &o - zo -cos»,/ -COSCOit . (4.45)

O gráfico da figura 4.3. mostra um exemplo de z(t) e 0(t) na condição em que ocorre batimento, o que mostra que há transferência completa de energia do modo longitudinal para o modo de torção. 0.06 U i ) 4 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 ' ti 0 2 t(s)

Figura 43: Gráfico de z(t) (a vermelho) e 6{t) (a azul) em função do tempo

Também podemos verificar através do gráfico que o deslocamento vertical da massa não é proporcional ao deslocamento angular, pelo que, à primeira vista, parece que a razão das amplitudes anteriormente deduzida, não é a adequada. Intuitivamente este aparente desacordo é esperado devido ao pequeno deslocamento angular em relação ao deslocamento vertical.

4J. Estudo experimental do Pêndulo Wilberforce

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