間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,sin凾数,その2

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fsin(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmsin(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmsin(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmsin(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmωfs2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[sin(ωft)]=ωfs2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2(sλ1)(sλ2)=s2+2γs+ω02λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω02=γ±ξ

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1s2(λ1+λ2)s+λ1λ2ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωfs4(λ1+λ2)s3+λ1λ2s2+ωf2s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωfs4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωf{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm{CAsa+b(sa)2+b2+CBsc+d(sc)2+d2}=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}L[eat]=1saL[eatcos(bt)]=sa(sa)2+b2L[eatsin(bt)]=b(sa)2+b2=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b(sa)2+b2+C5(sc)+C6d(sc)2+d2}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

解く

[x0v0+2γx0]=[11λ2λ1][C1C2]=A[C1C2]A1=1|A|A~=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|]=1(1λ1)(1λ2)[(1)2λ1(1)31(1)3λ2(1)21]=1λ2λ1[λ11λ21]=1(γξ)(γ+ξ)[(γ+ξ)1(γξ)1]λ1,2=γ±ξ=12ξ[γξ1γξ1][C1C2]=A1[x0v0+2γx0]=12ξ[γξ1γξ1][x0v0+2γx0]=12ξ[(γξ)x0+1(v0+2γx0)(γξ)x0+1(v0+2γx0)]=12ξ[γx0ξx0v02γx0γx0ξx0+v0+2γx0]=12ξ[ξx0v0γx0ξx0+v0+γx0]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

C1,C2

[C1C2]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

部分分数分解 第2項分母の係数比較

s4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2={(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=(s22as+a2+b2)(s22cs+c2+d2)=s42cs3+(c2+d2)s22as3+4acs22as(c2+d2)+(a2+b2)s22(a2+b2)cs+(a2+b2)(c2+d2)=s42(a+c)s3+(a2+b2+c2+d2+4ac)s22(ac2+ad2+a2c+b2c)s+a2c2+a2d2+b2c2+b2d2 {2(a+c)=(λ1+λ2)a2+b2+c2+d2+4ac=λ1λ2+ωf22(ac2+ad2+a2c+b2c)=ωf2(λ1+λ2)a2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ2

解く

a=0c=λ1+λ22a=λ1+λ220a=0=λ1+λ22ωf2λ1+λ22=ac2+ad2+a2c+b2c=0c2+0d2+02c+b2ca=0=b2c=b2λ1+λ22c=λ1+λ22ωf2=b2λ1+λ22b=ωf(A2=B2A=±B)a2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ202c2+02d2+b2c2+b2d2=a=0b2(c2+d2)=ωf2(c2+d2)=b=ωfc2+d2=λ1λ2ωf2d2=λ1λ2c2=λ1λ2(λ1+λ22)2c=λ1+λ22=14{4λ1λ2(λ1+λ2)2}=14(4λ1λ2λ122λ1λ2λ22)=14(λ122λ1λ2+λ22)=(λ1λ2)24=((λ1λ2)2)2d=((λ1λ2)2)2=1λ1λ22=iλ1λ22
{a=0()b=ωfc=λ1+λ22=(γ+ξ)+(γξ)2=2γ2=γd=iλ1λ22=i(γ+ξ)(γξ)2=i2ξ2=iξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

ωf={C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}={C3sC3a+C4b}{s22cs+c2+d2}+{C5sC5c+C6d}{s22as+a2+b2}=C3s32C3cs2+C3(c2+d2)sC3as2+2C3acsC3a(c2+d2)+C4bs22C4bcs+C4b(c2+d2)+C5s32C5as2+C5(a2+b2)sC5cs2+2C5acsC5c(a2+b2)+C6ds22C6ads+C6d(a2+b2)=C3s3+C5s32C3cs2C3as2+C4bs22C5as2C5cs2+C6ds2+C3(c2+d2)s+2C3acs2C4bcs+C5(a2+b2)s+2C5acs2C6adsC3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)=(C3+C5)s3+(2C3cC3a+C4b2C5aC5c+C6d)s2+(C3(c2+d2)+2C3ac2C4bc+C5(a2+b2)+2C5ac2C6ad)s+{C3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)}=(C3+C5)s3+(C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d)s2+(C3((c2+d2)+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad))s+{C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)} {0=C3+C50=C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d0=C3(c2+d2+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad)ωf=C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)

解く

[000ωf]=[10102cab2acdc2+d2+2ac2bc(a2+b2)+2ac2ada(c2+d2)b(c2+d2)c(a2+b2)d(a2+b2)][C3C4C5C6]=[10102c0b20cdc2+d2+20c2bc(02+b2)+20c20d0(c2+d2)b(c2+d2)c(02+b2)d(02+b2)][C3C4C5C6]=[10102cbcdc2+d22bcb200b(c2+d2)b2cb2d][C3C4C5C6]=[10102(γ)(ωf)(γ)(iξ)(γ)2+(iξ)22(ωf)(γ)(ωf)200(ωf)((γ)2+(iξ)2)(ωf)2(γ)(ωf)2(iξ)][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξγ2ξ22γωfωf200ωf(γ2ξ2)γωf2iξωf2][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξω022γωfωf200ω02ωfγωf2iξωf2][C3C4C5C6]ξ2=γ2ω02ω02=γ2ξ2=A[C3C4C5C6] |M41|=|010ωfγiξ2γωfωf20|=|ωfiξ2γωf0|={ωf0iξ2γωf}=i2γξωf|M42|=|1102γγiξω02ωf20|=|γiξωf20||2γiξω020|=(γ0iξωf2)(2γ0iξω02)=iξωf2+iξω02=iξ(ω02ωf2)|M43|=|1002γωfiξω022γωf0|=|ωfiξ2γωf0|=ωf0iξ2γωf=i2γξωf|M44|=|1012γωfγω022γωfωf2|=|ωfγ2γωfωf2|+|2γωfω022γωf|=ωfωf2γ2γωf+2γ2γωfωfω02=ωf32γ2ωf+4γ2ωfω02ωf=ωf3+2γ2ωfω02ωf=ωf(2γ2ω02+ωf2)(1)4+1a41|M41|+(1)4+2a42|M42|+(1)4+3a43|M43|+(1)4+4a44|M44|=10(i2γξωf)+1(ω02ωf)(iξ(ω02ωf2))1(γωf2)(i2γξωf)+1(iξωf2)(ωf(2γ2ω02+ωf2))=0+iξω02ωf(ω02ωf2)+i2γ2ξωf3+iξωf3(2γ2ω02+ωf2)=iξωf{ω02(ω02ωf2)+2γ2ωf2+ωf2(2γ2ω02+ωf2)}=iξωf(ω04ω02ωf2+2γ2ωf2+2γ2ωf2ω02ωf2+ωf4)=iξωf(ω042ω02ωf2+ωf4+4γ2ωf2)=iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2} (1)1+4|M41||A|=1i2γξωfiξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)2+4|M42||A|=iξ(ω02ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=ω02ωf2ωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}(1)3+4|M43||A|=1i2γξωfiξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)4+4|M44||A|=ωf(2γ2ω02+ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ2ω02+ωf2iξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2} [C3C4C5C6]=A1[000ωf]=[(1)1+1|M11||A|(1)1+2|M21||A|(1)1+3|M31||A|(1)1+4|M41||A|(1)2+1|M12||A|(1)2+2|M22||A|(1)2+3|M32||A|(1)2+4|M42||A|(1)3+1|M13||A|(1)3+2|M23||A|(1)3+3|M33||A|(1)3+4|M43||A|(1)4+1|M14||A|(1)4+2|M24||A|(1)4+3|M34||A|(1)4+4|M44||A|][000ωf]=[(1)1+4|M41||A|ωf(1)2+4|M42||A|ωf(1)3+4|M43||A|ωf(1)4+4|M44||A|ωf]=[2γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2ωf(ω02ωf2)ωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}2γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2ωf(2γ2ω02+ωf2)iξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}]=1(ω02ωf2)2+(2γωf)2[2γωfω02ωf22γωfωfiξ(2γ2ω02+ωf2)]

C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=1(ω02ωf2)2+(2γωf)2[2γωfω02ωf22γωfωfiξ(2γ2ω02+ωf2)]

求まった係数を用いて表す

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2+2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{+2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}

第1,2項の逆ラプラス変換

L1[x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2]=(x02+v0+γx02ξ)L1[1sλ1]+(x02v0+γx02ξ)L1[1sλ2]=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξteA+B=eAeB=eγt{x02eξt+v0+γx02ξeξt+x02eξtv0+γx02ξeξt}=eγt{x02(eξt+eξt)+v0+γx02ξ(eξteξt)}=eγt{x02(eiωt+eiωt)+v0+γx02iω(eiωteiωt)}ξ=γ2ω02=1|γ2ω2|=iω(γ<ω0)=eγt{x022cos(ωt)+v0+γx02iω2isin(ωt)}cos(θ)=eiθ+eiθ2,sin(θ)=eiθ+eiθ2i=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)

第3項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2}]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)L1[s0(s0)2+ωf2]+Fmω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)2(ω02ωf2)L1[ωf(s0)2+ωf2]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)e0tcos(ωft)+Fmω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)2(ω02ωf2)e0tsin(ωft)=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfe0tcos(ωft)+(ω02ωf2)e0tsin(ωft)}=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}e0=1

第4項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)L1[s(γ)(s(γ))2+(iξ)2]+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)}L1[(iξ)(s(γ))2+(iξ)2]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)eγtcos(iξt)+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)}eγtsin(iξt)=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(iξt)+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)sin(iξt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(iiωt)+ωfiiω(2γ2ω02+ωf2)sin(iiωt)}ξ=iω=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+(1)ωfω(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}ii=1=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+(1)ωfω(2γ2ω02+ωf2)(1)sin(ωt)}cos(θ)=cos(θ),sin(θ)=sin(θ)=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}11=1

全体の逆ラプラス変換(1,2,4,3項の順に入れ替え)

L1[X]=x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)+Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2(ω02ωf2))sin(ωt)}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}

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