Getaran harmonik: pegas-massa, frekuensi alami, redaman, dan resonansi
Washer-extractor bersuspensi berguncang keras sesaat ketika drum mulai berputar cepat, lalu tenang kembali pada putaran peras penuh. Tutup panel bergetar berisik hanya pada satu kecepatan motor tertentu. Gejala itu bukan tanda bantalan rusak, tetapi resonansi: getaran yang membesar ketika frekuensi gaya pengganggu mendekati frekuensi alami struktur. Bab ini membahas besaran getaran, gaya pemulih dan hukum Hooke, frekuensi alami sistem pegas-massa dan bandul, hubungan simpangan, kecepatan, dan percepatan getaran, energi getaran, redaman, getaran paksa dan resonansi, melewati resonansi saat mesin dipercepat, dan analogi dengan rangkaian listrik resonan. Sembilan contoh kerja dan enam latihan dengan kunci beralasan menutup bab.
Sebuah washer-extractor bersuspensi baru dipasang di lantai atas sebuah hotel. Pada setiap siklus peras, mesin berguncang keras selama beberapa detik ketika drum mulai berputar cepat, sampai lantai terasa bergetar di ruang sebelah. Setelah itu mesin tenang, bahkan pada putaran peras penuh yang jauh lebih cepat. Petugas khawatir bantalan drum rusak. Di ruang yang sama, sebuah tutup panel pengering berbunyi berisik hanya ketika kipasnya berputar pada satu kecepatan tertentu.
Kedua gejala itu adalah resonansi. Setiap struktur yang lentur punya frekuensi alami, yaitu frekuensi tempat ia suka bergetar. Ketika gaya pengganggu, misalnya ketidakseimbangan drum atau kipas, bergetar pada frekuensi yang mendekati frekuensi alami itu, getaran membesar jauh melampaui yang diperkirakan dari besar gayanya. Mesin bersuspensi melewati resonansi itu sesaat ketika dipercepat, lalu bekerja tenang di atasnya. Bab ini menjelaskan getaran harmonik, frekuensi alami, redaman, dan resonansi.
Batas pembahasan
Bab ini membahas besaran getaran, hukum Hooke, sistem pegas-massa dan bandul, hubungan simpangan, kecepatan, dan percepatan, energi getaran, redaman, getaran paksa, resonansi, melewati resonansi, dan analogi dengan rangkaian resonan. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Fisika Teknik, yang memuat frekuensi, periode, bandul, getaran platform, dan osilasi teredam dari buku teks fisika untuk sains dan teknik, kondisi resonansi rangkaian dari buku Fisika Dasar, redaman dari buku teknik listrik dasar, dan jenis-jenis getaran harmonik dari buku Pengantar Fisika, serta narasi Teknik Mekanikal.
Gerak melingkar, yang proyeksinya adalah getaran harmonik, dibahas di bab gerak dua dimensi. Ketidakseimbangan drum dan pilihan dudukan kaku atau bersuspensi dibahas di Bab 10 · Laundry, dan getaran motor sebagai gejala kerusakan di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali. Isolasi getaran dan analisis spektrum untuk diagnosis dibahas di tingkat lanjut rak ini. Bab ini tidak memuat batas getaran yang diizinkan dari standar mana pun; batas itu diambil dari data pabrik atau standar yang berlaku.
Getaran dan besarannya
Getaran adalah gerak bolak-balik di sekitar posisi setimbang. Besaran pokoknya:
- Amplitudo : simpangan terbesar dari posisi setimbang.
- Periode : waktu untuk satu getaran penuh, dalam sekon.
- Frekuensi : jumlah getaran per sekon, dalam hertz (Hz). Buku teks fisika dalam sumber mendefinisikan frekuensi sebagai kebalikan periode, .
- Frekuensi sudut , dalam rad/s.
Untuk mesin berputar, frekuensi gaya dari ketidakseimbangan sama dengan frekuensi putaran, dengan dalam rpm. Motor 1.500 rpm memberi getaran 25 Hz, dan drum 900 rpm memberi 15 Hz. Konversi sederhana ini adalah langkah pertama setiap diagnosis getaran: frekuensi getaran yang terukur dibandingkan dengan frekuensi putaran setiap poros di mesin.
Getaran harmonik sederhana adalah getaran yang simpangannya berubah menurut fungsi sinus terhadap waktu:
Buku teks yang sama mencatat sifat penting getaran ini: frekuensi dan periode tidak bergantung pada amplitudo. Struktur yang bergetar kecil maupun besar bergetar pada frekuensi yang sama, selama perilakunya tetap linear. Getaran harmonik adalah bayangan gerak melingkar beraturan pada satu sumbu, sehingga di sini sama dengan kecepatan sudut di bab gerak dua dimensi dan bab gerak rotasi.
Gaya pemulih dan hukum Hooke
Getaran harmonik terjadi bila ada gaya yang selalu menarik benda kembali ke posisi setimbang dan besarnya sebanding dengan simpangan:
Hubungan ini adalah hukum Hooke, dan adalah konstanta pegas atau kekakuan, dalam N/m. Tanda minus menyatakan bahwa gaya selalu berlawanan arah dengan simpangan. Pegas suspensi, karet dudukan, balok yang melentur, dan pelat tipis semuanya punya kekakuan yang dapat dinyatakan dengan , walaupun bentuknya tidak seperti pegas.
Pegas yang memikul beban diam menyusut sejauh lendutan statis . Lendutan statis mudah diukur di lapangan dan, seperti ditunjukkan di bagian berikut, langsung memberi frekuensi alami sistem itu.
Sistem pegas-massa dan frekuensi alami
Massa di ujung pegas dengan kekakuan bergetar dengan frekuensi alami:
Kekakuan yang lebih besar menaikkan frekuensi alami, dan massa yang lebih besar menurunkannya. Karena , frekuensi alami dapat dihitung dari lendutan statis saja:
Mesin yang menekan suspensinya 10 mm punya frekuensi alami vertikal sekitar 5 Hz, sekitar 300 putaran per menit. Rumus ini hanya berlaku untuk pegas yang linear dan getaran vertikal; mesin nyata juga punya frekuensi alami untuk goyang ke samping dan berayun, yang biasanya berbeda.
Bandul
Bandul sederhana dengan tali sepanjang bergetar dengan periode:
untuk simpangan kecil. Buku teks fisika dalam sumber memakai soal periode osilasi bila amplitudonya kecil. Periode bandul tidak bergantung pada massanya, hanya pada panjang tali dan percepatan gravitasi. Beban yang tergantung pada derek atau katrol berayun dengan periode yang sama, sehingga mengangkat beban yang berayun memerlukan gerakan yang pelan, dan ayunan berhenti lebih cepat bila gerakan pengangkatan disesuaikan dengan periodenya.
Simpangan, kecepatan, dan percepatan getaran
Dari , kecepatan dan percepatan getaran juga berbentuk sinus, dengan amplitudo:
Ketiga besaran itu dipakai untuk menyatakan getaran mesin. Simpangan cocok untuk getaran lambat, kecepatan getaran dalam mm/s dipakai luas untuk menilai keparahan getaran mesin berputar, dan percepatan dipakai untuk frekuensi tinggi seperti cacat bantalan. Karena kecepatan sebanding dengan dan percepatan dengan , simpangan yang sama pada frekuensi lebih tinggi menghasilkan kecepatan dan percepatan yang jauh lebih besar.
Alat ukur getaran sering menampilkan nilai RMS, bukan puncak. Untuk getaran sinus murni, nilai RMS sama dengan puncak dibagi , seperti untuk arus bolak-balik. Untuk getaran yang tidak sinus, hubungan itu tidak berlaku, sehingga satuan dan jenis nilai di laporan harus selalu dibaca.
Percepatan getaran juga menentukan apakah benda di atas permukaan yang bergetar tetap diam. Buku teks fisika dalam sumber membahas benda di atas platform bergetar yang mulai bergeser ketika amplitudo getaran mencapai 0,3 m. Benda bergeser bila percepatan maksimum platform melebihi yang dapat ditahan gesekan statik, yaitu , seperti dibahas di bab gesekan.
Energi dalam getaran
Sistem pegas-massa yang bergetar tanpa redaman menukar energi potensial pegas dan energi kinetik massa secara terus-menerus. Energi totalnya tetap:
Di simpangan terbesar, seluruh energi berupa energi potensial pegas dan massa sesaat diam. Di posisi setimbang, seluruh energi berupa energi kinetik dan kecepatannya terbesar. Energi sebanding dengan kuadrat amplitudo, sehingga getaran dengan amplitudo dua kali membawa energi empat kali, dan gaya pada pegas serta dudukannya juga dua kali.
Redaman
Getaran nyata selalu melemah karena energi diubah menjadi panas oleh gesekan, deformasi karet, aliran fluida di peredam kejut, atau arus pusar. Peristiwa ini disebut redaman. Buku teknik listrik dasar dalam sumber mencatat bahwa redaman oleh arus pusar sangat efektif, dan prinsip itu dipakai pada alat ukur jarum dan rem elektromagnetik.
Besar redaman dinyatakan dengan rasio redaman , yaitu perbandingan redaman yang ada dengan redaman kritis. Tiga keadaan dibedakan:
- Kurang teredam (): sistem bergetar dengan amplitudo yang mengecil perlahan. Kebanyakan struktur dan mesin berada di sini, dengan jauh di bawah 1.
- Teredam kritis (): sistem kembali ke posisi setimbang paling cepat tanpa bergetar.
- Terlalu teredam (): sistem kembali tanpa bergetar tetapi lambat. Buku teknik listrik dasar dalam sumber menggambarkan sistem yang terlalu teredam sebagai lambat dan lesu.
Buku Pengantar Fisika dalam sumber meminta pembaca membedakan getaran harmonik sederhana, getaran harmonik teredam, dan getaran harmonik teredam yang dipaksa menurut gaya yang bekerja dan ciri getarannya. Ketiga jenis itu adalah urutan pembahasan bab ini.
Redaman sistem yang kurang teredam dapat diperkirakan dari rekaman getaran yang meluruh setelah diketuk. Perbandingan dua puncak berurutan, , memberi penurunan logaritmik , dan untuk redaman kecil rasio redamannya . Bila puncak-puncak itu sulit dibaca satu per satu, perbandingan puncak yang terpisah getaran dibagi setelah diambil logaritmanya. Contoh 7 memakai cara ini.
Getaran paksa dan resonansi
Mesin yang bekerja memberikan gaya bolak-balik pada strukturnya. Sumber yang paling umum adalah ketidakseimbangan benda berputar, yang memberi gaya sentrifugal berputar pada frekuensi putaran, seperti di bab kesetimbangan statik. Struktur yang menerima gaya itu bergetar pada frekuensi gaya, bukan pada frekuensi alaminya. Getaran ini disebut getaran paksa.
Amplitudo getaran paksa bergantung pada perbandingan frekuensi gaya dengan frekuensi alami, . Bila jauh di bawah 1, struktur mengikuti gaya seperti pegas yang ditekan pelan. Bila mendekati 1, amplitudo membesar tajam: inilah resonansi. Pada resonansi, besar amplitudo hanya dibatasi oleh redaman. Bila jauh di atas 1, massa tidak sempat mengikuti gaya, dan amplitudonya mengecil.
Buku teks fisika dalam sumber, yang dikutip narasi Teknik Mekanikal, mencatat bahwa kurva resonansi melebar ketika redaman bertambah, dan buku yang sama menanyakan apakah osilasi teredam dapat terjadi pada saat resonansi. Jawabannya ya: redaman tidak menghilangkan resonansi, tetapi menurunkan puncaknya dan melebarkan rentang frekuensi tempat getaran besar terjadi.
Melewati resonansi saat mesin dipercepat
Mesin bersuspensi sengaja dirancang dengan frekuensi alami suspensi yang jauh di bawah putaran kerja. Pada putaran kerja, besar dan gaya yang diteruskan ke lantai kecil. Untuk getaran tanpa redaman, perbandingan gaya yang diteruskan ke lantai dengan gaya pengganggu, yang disebut transmisibilitas, adalah:
Transmisibilitas di bawah 1, artinya isolasi bekerja, hanya tercapai bila lebih besar dari , sekitar 1,41. Di bawah itu, suspensi justru memperbesar gaya.
Akibatnya, setiap kali mesin dipercepat dari diam ke putaran kerja, putarannya melewati frekuensi alami suspensi. Selama beberapa detik itu getaran membesar, seperti di kasus pembuka, lalu turun lagi. Mesin melewati daerah itu secepat mungkin, dan peredam di suspensi membatasi puncaknya. Distribusi linen yang buruk sebelum peras menambah gaya ketidakseimbangan dan memperbesar guncangan, seperti dibahas di Bab 10 · Laundry. Bila peredam aus, puncak resonansi menjadi jauh lebih tinggi. Mesin berdudukan kaku bekerja dengan prinsip sebaliknya: frekuensi alaminya dibuat jauh di atas putaran kerja, dengan fondasi yang kaku dan berat.
Frekuensi alami di lapangan dapat ditemukan dengan dua cara sederhana. Cara pertama adalah uji ketuk: struktur yang diam diketuk dengan palu karet, dan getaran yang meluruh direkam dengan alat ukur getaran atau aplikasi akselerometer; frekuensi getaran yang meluruh itu adalah frekuensi alaminya. Cara kedua adalah mengamati mesin ketika diperlambat setelah suplai diputus: getaran naik ke puncak pada putaran yang sama dengan frekuensi alami, lalu turun lagi. Mencatat putaran pada puncak itu memberi frekuensi alami tanpa alat khusus. Kedua cara memberi perkiraan; analisis spektrum yang lebih teliti dibahas di tingkat lanjut rak ini.
Analogi rangkaian listrik resonan
Persamaan getaran pegas-massa-peredam punya bentuk yang sama dengan rangkaian listrik induktor, kapasitor, dan resistor. Induktansi berperan seperti massa, kebalikan kapasitansi seperti kekakuan, dan resistansi seperti redaman. Frekuensi resonansinya:
Buku Fisika Dasar dalam sumber menanyakan kondisi resonansi dan nilai impedansi pada saat resonansi, dan menjawab bahwa resonansi terpenuhi saat reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif. Buku yang sama mencatat bahwa makin kecil resistansi, makin tajam puncak kurva resonansinya, sejajar dengan redaman mekanik. Analogi ini berguna karena teknisi listrik yang sudah mengenal resonansi rangkaian dapat langsung memahami resonansi struktur, dan sebaliknya.
Analogi itu juga bekerja di sisi listrik. Kapasitor perbaikan faktor daya bersama induktansi trafo dapat membentuk rangkaian resonan pada salah satu frekuensi harmonisa, sehingga arus harmonisa membesar dan kapasitor menjadi panas, seperti dibahas di bab harmonisa dan perbaikan faktor daya pada rak Kelistrikan & Kendali. Gejalanya serupa dengan tutup panel yang beresonansi: gangguan kecil pada frekuensi yang tepat menghasilkan respons besar.
Contoh kerja
Contoh 1. Frekuensi alami suspensi. Mesin 400 kg berdiri di atas empat pegas yang masing-masing berkekakuan 100 kN/m, total 400 kN/m (angka latihan). rad/s, Hz, setara rpm. Lendutan statisnya mm, dan rumus lendutan memberi Hz, sama.
Contoh 2. Transmisibilitas pada putaran kerja. Drum di Contoh 1 diperas pada 900 rpm, yaitu 15 Hz. , sehingga . Hanya sekitar 13 persen gaya ketidakseimbangan yang diteruskan ke lantai, tanpa memperhitungkan redaman. Pada 240 rpm (4 Hz), dan : gaya diteruskan hampir tiga kali lipat.
Contoh 3. Bandul. Beban yang tergantung pada tali 1,0 m berayun dengan periode s.
Contoh 4. Kecepatan dan percepatan getaran motor. Motor 1.500 rpm (25 Hz, rad/s) bergetar dengan amplitudo simpangan 0,05 mm pada frekuensi putaran. m/s, yaitu 7,85 mm/s puncak atau mm/s RMS. m/s², sekitar 0,13 g. Penilaian apakah angka itu baik atau buruk memerlukan batas dari pabrik atau standar, seperti dibahas di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali.
Contoh 5. Benda bergeser di atas permukaan bergetar. Sebuah botol bahan kimia berdiri di atas tutup mesin yang bergetar 2 Hz. Dengan koefisien gesek statik 0,5 (angka latihan), botol mulai bergeser bila , yaitu m. Amplitudo sekitar 3 cm sudah cukup; pada frekuensi lebih tinggi, amplitudo yang diperlukan jauh lebih kecil.
Contoh 6. Energi getaran. Pegas N/m dengan amplitudo 0,05 m menyimpan J.
Contoh 7. Getaran yang meluruh. Amplitudo getaran tutup panel setelah diketuk turun menjadi separuh setiap tiga getaran (angka latihan). Setelah sembilan getaran, amplitudonya dari semula. Penurunan logaritmik per getaran , sehingga . Redaman sekecil itu membuat puncak resonansi tinggi: untuk redaman kecil, amplitudo pada resonansi sekitar , yaitu sekitar 14 kali simpangan statis yang ditimbulkan gaya yang sama.
Contoh 8. Tutup panel yang berisik. Tutup panel punya frekuensi alami 25 Hz, sama dengan kipas yang berputar 1.500 rpm. Menggandakan frekuensi alaminya memerlukan kekakuan empat kali, karena sebanding dengan ; cara praktisnya adalah menambah lipatan, penguat, atau titik baut. Pilihan lain adalah menambah redaman dengan bantalan karet, atau mengubah kecepatan kipas menjauhi 25 Hz.
Contoh 9. Rangkaian resonan. Induktor 10 mH dan kapasitor 10 µF beresonansi pada Hz.
Kondisi berhenti
Hentikan pekerjaan bila:
- Getaran mesin pada putaran kerja terus membesar, tidak turun setelah melewati putaran awal, atau disertai bunyi ketukan logam. Kemungkinan suspensi, peredam, atau dudukan rusak, atau ada ketidakseimbangan besar; ikuti Bab 10 · Laundry dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali.
- Baut dudukan mesin longgar, pegas patah, atau peredam bocor. Mesin bersuspensi yang kehilangan peredam dapat bergetar sangat besar saat melewati resonansi.
- Getaran akan diperiksa dengan tangan di dekat bagian yang berputar atau dengan membuka pelindung. Pakai alat ukur getaran dari luar pelindung, dan ikuti Bab 1 · Keselamatan.
- Sensor ketidakseimbangan atau pengaman getaran akan dinonaktifkan agar siklus selesai.
Salah tafsir yang sering terjadi
"Guncangan saat mulai peras berarti bantalan rusak." Guncangan sesaat yang mereda pada putaran penuh biasanya resonansi suspensi yang dilewati. Bantalan rusak menimbulkan getaran dan bunyi pada putaran kerja.
"Pegas yang lebih kaku selalu mengurangi getaran." Pegas yang lebih kaku menaikkan frekuensi alami dan dapat memindahkannya mendekati putaran kerja.
"Amplitudo besar berarti frekuensinya juga berubah." Untuk getaran harmonik, frekuensi tidak bergantung pada amplitudo.
"Redaman menghilangkan resonansi." Redaman menurunkan puncak dan melebarkan kurva, tetapi resonansi tetap terjadi.
"Getaran 5 mm/s sama di semua alat ukur." Periksa apakah angka itu puncak atau RMS, dan pada rentang frekuensi apa.
"Menambah karet di bawah kaki mesin selalu meredam getaran." Karet menurunkan kekakuan dan frekuensi alami. Bila frekuensi alami baru jatuh dekat putaran kerja, getaran justru membesar. Hitung dulu perbandingan frekuensinya.
"Mesin yang berat tidak mungkin beresonansi." Massa besar menurunkan frekuensi alami, tetapi tidak menghilangkannya.
Hubungan dengan bab lain
Bab gerak dua dimensi dan bab gerak rotasi memberi hubungan gerak melingkar dan frekuensi sudut. Bab gesekan memberi batas gesekan statik, dan bab kesetimbangan statik membahas gaya dari ketidakseimbangan drum. Bab 10 · Laundry membahas dudukan, distribusi, dan ketidakseimbangan washer-extractor, Bab 44 · Kelistrikan & Kendali getaran motor, dan Bab 1 · Keselamatan keselamatan kerja di dekat mesin berputar. Bab gelombang mekanik dan bunyi melanjutkan getaran yang merambat. Getaran paksa, isolasi, dan analisis spektrum dibahas di tingkat lanjut rak ini.
Latihan dan pembahasan
Untuk setiap soal, tuliskan rumus dan satuan.
- Massa 200 kg di atas pegas dengan kekakuan total 50 kN/m. Berapa frekuensi alaminya?
- Sebuah mesin menekan dudukannya 4 mm. Berapa kira-kira frekuensi alami vertikalnya?
- Berapa periode bandul dengan tali 0,25 m?
- Getaran 50 Hz dengan amplitudo simpangan 0,1 mm. Berapa kecepatan dan percepatan maksimumnya?
- Mesin dengan frekuensi alami suspensi 5 Hz. Mana yang lebih buruk untuk lantai, bekerja pada 4 Hz atau 15 Hz? Hitung transmisibilitas tanpa redaman.
- Mengapa washer-extractor bersuspensi berguncang hanya sesaat ketika mulai peras?
Kunci jawaban beralasan
- Hz.
- Hz, sekitar 474 rpm.
- s.
- rad/s. mm/s. m/s², hampir 1 g.
- Pada 4 Hz, dan . Pada 15 Hz, dan . Bekerja pada 4 Hz jauh lebih buruk karena dekat resonansi.
- Frekuensi alami suspensi dirancang jauh di bawah putaran peras. Saat dipercepat, putaran drum melewati frekuensi alami itu sesaat sehingga getaran membesar, lalu turun ketika putaran naik jauh di atasnya dan transmisibilitas menjadi kecil.
Referensi
Bab terkait
- Gerak dua dimensi dan gerak melingkar: komponen vektor, proyektil, dan percepatan sentripetalFisika · Bab 2
- Washer-extractor: muatan, level air, aksi mekanik, dan ekstraksiLaundry · Bab 10
- Kerusakan dan uji motor: belitan, isolasi, bantalan, dan getaran dasarKelistrikan & Kendali · Bab 44
- Gerak rotasi: kecepatan sudut, momen inersia, energi rotasi, dan momentum sudutFisika · Bab 12
- Gesekan dan hambatan gerak: gesekan statik dan kinetik, bidang miring, dan hambatan fluidaFisika · Bab 4
- Kesetimbangan statik, pusat massa, dan stabilitas guling: momen, reaksi tumpuan, dan sudut gulingFisika · Bab 8
- Bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhentiKeselamatan · Bab 1
Uji diri · 3 soal
Cek pemahaman sebelum berpindah bab
Tulis jawaban dengan kata-kata Anda sendiri, lalu bandingkan dengan pembahasan dari latihan asli bab ini. Sistem tidak menebak benar-salah jawaban terbuka; Anda yang menilai bagian mana yang sudah dipahami.
Massa 200 kg di atas pegas dengan kekakuan total 50 kN/m. Berapa frekuensi alaminya?
Sebuah mesin menekan dudukannya 4 mm. Berapa kira-kira frekuensi alami vertikalnya?
Berapa periode bandul dengan tali 0,25 m?
Bab terdekat
Urutan baca menurut rak: Fisika · Bab 14.
Urutan baca menurut rak: Fisika · Bab 12.