הבנת התדר הטבעי

הגדרה: מהי תדר טבעי?

א תדר טבעי הוא התדירות הספציפית שבה עצם או מערכת יתנדנדו אם הם יזוזו ממצב המנוחה שלהם ואז יורשו לרטוט בחופשיות ללא כוחות חיצוניים. זוהי תכונה אינהרנטית ויסודית של העצם, הנקבעת כולה על ידי מאפייניו הפיזיים: מִסָה ושלו נוּקְשׁוּתלכל עצם פיזי, החל ממיתר גיטרה ועד גשר ועד מבנה תמיכה של מכונה, יש תדר טבעי אחד או יותר.

הקשר בין מסה, קשיחות ותדירות טבעית

הקשר בין שלושת המאפיינים הללו הוא פשוט ואינטואיטיבי:

• נוּקְשׁוּת: לעצם קשיח יותר יש תדר טבעי *גבוה*. חשבו על מיתר גיטרה: הידוק המיתר (הגברת הנוקשות שלו) מעלה את גובה הצליל (התדר).
• מִסָה: לעצם מסיבי יותר יש תדר טבעי *נמוך*. חשבו על סרגל התלוי מקצה שולחן: סרגל ארוך וכבד יותר ינענע לאט יותר (תדר נמוך יותר) מאשר סרגל קצר וקל יותר.

עבור מערכת פשוטה בעלת דרגת חופש אחת, קשר זה מתואר על ידי הנוסחה:

תדר טבעי (f_n) ∝ √(קשיחות / מסה)

משמעות הדבר היא שכדי לשנות את התדירות הטבעית של אובייקט, עליך לשנות את קשיחותו או את המסה שלו (או את שניהם).

תדר טבעי ותהודה: קשר קריטי

למושג התדר הטבעי יש חשיבות קריטית בהנדסה ובניתוח רעידות בגלל הקשר הישיר שלו לתופעת ה... תְהוּדָה.

תהודה מתרחשת כאשר כוח חיצוני, מחזורי, מופעל על מערכת בתדר השווה או קרוב מאוד לאחד מתדריה הטבעיים. כאשר זה קורה, המערכת סופגת אנרגיה מהכוח החיצוני ביעילות רבה, מה שגורם למשרעת הרטט שלה לגדול באופן דרמטי. ריסון הוא הגורם היחיד שמגביל את המשרעת מלהגדיל באופן אינסופי.

זו הסיבה שהבנת התדרים הטבעיים היא כה קריטית:

• חיזוי בעיות: אם אתם יודעים את מהירות הפעולה של מכונה ואתם יודעים את התדרים הטבעיים של המבנה התומך שלה, תוכלו לחזות האם סביר להניח שיתרחש מצב תהודה.
• פתרון בעיות: אם מכונה רוטטת בצורה מוגזמת, זיהוי התדרים הטבעיים שלה הוא שלב מפתח בקביעת האם תהודה היא הגורם.

– הימנעות מכישלון: הפעלת מכונה בתהודה עלולה להוביל לרעידות קיצוניות, ללחץ גבוה ובסופו של דבר לכשל קטסטרופלי. הקריסה המפורסמת של גשר טקומה נרוז בשנת 1940 הייתה דוגמה דרמטית לתהודה.

כיצד מזהים תדרים טבעיים?

התדרים הטבעיים של מכונה או מבנה מזוהים בדרך כלל באמצעות אחת מהשיטות הבאות:

1. בדיקת פגיעה (או בדיקת בליטה)

זוהי השיטה הניסויית הנפוצה ביותר. המכונה (בעודה אינה פועלת) מוכת בפטיש פגיעה עם מכשור, והרטט שנוצר נמדד באמצעות מד תאוצה. מכת הפטיש מזינה טווח רחב של אנרגיה, והמבנה "יצלצל" באופן טבעי בתדרים הטבעיים שלו. תדרים אלה מופיעים כשיאים ברורים בספקטרום ה-FFT שנוצר.

2. מבחן ריצה / יציאה מהחוף

עבור מכונה פועלת, בדיקת ריצה או ריצה למטה יכולה לזהות תדרים טבעיים. ככל שמהירות המכונה משתנה, כל כוחות מסתובבים (כגון חוסר איזון) יעברו דרך טווח תדרים. אם אחד מהתדרים הללו חוצה תדר טבעי, משרעת הרטט תראה שיא ברור במהירות זו. זוהי דרך נפוצה למצוא את מהירות המערכת. מהירויות קריטיות.

3. אנליזת אלמנטים סופיים (FEA)

במהלך שלב התכנון, מהנדסים משתמשים במודלים ממוחשבים כדי לחשב את התדרים הטבעיים התאורטיים של רכיב או מבנה עוד לפני בנייתו. זה מאפשר להם לתכנן את המבנה כך שיימנע מבעיות תהודה כבר מההתחלה.

על ידי זיהוי והבנה של התדרים הטבעיים של מערכת, מהנדסים יכולים להבטיח שהמכונות פועלות בבטחה ובאמינות, הרחק מתנאי תהודה מזיקים.

← חזרה לאינדקס הראשי