background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

Zastosowanie szeregów Fouriera do rozwiązywania tarcz 

Ćwiczenie 8 

 

Przypomnienie z teorii szeregów Fouriera: 
 
 

 

 

 

Jeżeli 

( )

f x

  –  to dowolna funkcja s

pełniająca  warunki  Dirichleta 

w przedziale 

( ; )

l l

 

 

→  

( )

0

1

1

cos

sin

2

n

n

n

n x

n x

f x

a

a

b

l

l

π

π

=

=

+

+

 

to 

w każdym przedziale ciągłości funkcji 

( )

f x

 zachodzi: 

0

1

( )

l

l

a

f x dx

l

 

= ⋅

  

1

( ) cos

l

n

l

n x

a

f x

dx

l

l

π  

= ⋅

 ;    

1

( ) sin

l

n

l

n x

b

f x

dx

l

l

π  

= ⋅

 

 

2 

2 

 

 

( )

f x

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

 

Jeżeli  funkcja 

( )

f x

  jest  parzysta, to zachodzi 

0

n

b

= ,  natomiast 

jeżeli 

( )

f x

 jest nieparzysta, to zachodzi 

0

0

n

a

a

=

= . 

Ze względu na periodyczność

( )

sin

 funkcji 

 i 

( )

cos

 dla dowolnych 

wartości   otrzymujemy  powtarzanie się wartości funkcji 

( )

f x

jak 

pokazano to na powyższym rysunku. 

 

( )

f x

Uwagi: 

 

1. 

Mówimy,  że  funkcja 

 

spełnia  warunek Dirichleta 

w pewnym 

przedziale,  jeżeli  przedział  ten  można  rozłożyć 

na 

skończoną liczbę podprzedziałów, w taki sposób, że w każdym 

podprzedziale funkcja ta jest monotoniczna i ograniczona

 

2. 

Ważną zaletą szeregów Fouriera jest to, że mogą reprezentować 

funkcje nieciągłe (szeregi Taylora reprezentują tylko funkcje, które 

posiadają pochodne wszystkich rzędów 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

3. 

W  punktach  nieciągłości  funkcji 

( )

f x

  jej szereg Fouriera jest 

zbieżny do wartości 

(

)

(

)

1

0

0

2

f x

f x

+

+

 (patrz: rysunek) 

 

4. 

Motywacja  współczynnika 

1

2

  przy 

0

: dla 

0

n

=   wzór na 

n

 

pokrywa się ze wzorem na 

0

 (

regularność notacji

 

Przykład:

 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rozwinięcie  obciążenia  odcinkowego  stałego  w  szereg 

Fouriera 

(częsty przypadek w praktyce inżynierskiej) 

2l

 

2c

 

2c

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

 
Zadanie:

 

 

Rozwinąć funkcję odcinkowo stałą w szereg Fouriera. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(jest to 

częsty przypadek w zagadnieniach obciążeń tarcz) 

 

tarcza 

 

2l

 

2c

 

2c

 

g

×

 

podpory 

o szerokości 

2c

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

 

Model obciążenia:

 

  

 
 
 
 
 
 
 

( )

p x

 – funkcja 

nieciągła, spełnia warunki Dirichleta w 

( ; )

l l

 

 

Rozwiązanie zadania:

 

  

Z warunku równowagi rzutów na oś poziomą wynika: 

1

l

c

p

p

c

= ⋅

 

 

( )

p x  

l

c

 

c

  

c

 

c

  

c

 

l

c

 

l

 

l

 

x

 

p

const

=

 

1

p

const

=

 

1

p

const

=

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

 

Zauwa

żmy, iż 

( )

p x

 

jest funkcją parzystą, a zatem: 

0

n

b

= ! 

Rozw

ija się w szereg cosinusowy: 

( )

0

1

cos

2

n

n

a

n x

p x

a

l

π

=

+

gdzie: 

0

1

( )

0

l

l

a

p x dx

l

 

= ⋅

=

  oraz: 

1

( ) cos

l

n

l

n x

a

p x

dx

l

l

π  

= ⋅

 

 

Przekształcając, mamy: 

1

( ) cos

l

n

l

n x

a

p x

dx

l

l

π  

= ⋅

0

2

( ) cos

l

n

n x

a

p x

dx

l

l

π  

= ⋅

 

 

Rozbijając na odpowiednie składniki, otrzymujemy: 

0

2

cos

cos

l c

l

n

l c

n x

l

c

n x

a

p

dx

p

dx

l

l

c

l

π

π

 

 

= ⋅

− ⋅

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

Rozwiązując całki, otrzymujemy: 

0

2

cos

cos

l c

l

n

l c

n x

l

c

n x

a

p

dx

p

dx

l

l

c

l

π

π

 

 

= ⋅

− ⋅

 

2

(

)

(

)

sin

sin

n

l

n

l

c

l

c

l

n

l

c

a

p

p

l

n

l

c

n

l

π

π

π

π

= ⋅

+ ⋅

 

2

(

)

sin

1

n

l

n

l

c

l

c

a

p

l

n

l

c

π

π

= ⋅ ⋅

⋅ +

 

2

(

)

sin

n

l

n

l

c

l

a

p

l

n

l

c

π

π

= ⋅ ⋅

⋅  

2

(

)

sin

n

pl

n

l

c

a

n c

l

π

π

=

2

sin

pl

n c

n

n c

l

π

π

π

=

 

 

Jeżeli: sin(

)

sin

cos

cos

sin

α β

α

β

α

β

=

 

, to: 

2

sin

cos

cos

sin

n

pl

n c

n c

a

n

n

n c

l

l

π

π

π

π

π

=

2

cos

sin

pl

n c

n

n c

l

π

π

π

=

⋅ −

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, 

M. Gołota, K. Winkelmann  •  Teoria sprężystości i plastyczności  – Ćwicz. 8  •  KMBiM WILiŚ PG 

 

Zauważmy, iż: 

( )

cos

1

n

n

π

= −

, więc:  

( )

2

1

sin

n

n

pl

n c

a

n c

l

π

π

= − −

 

Podstawiając, otrzymujemy zatem: 

( )

( )

1

1

2

sin

cos

n

n

pl

n c

n x

p x

c

n

l

l

π

π

π

=

= −

 

 

Pierwszy wyraz szeregu, (dla 

1

n

= ): 

( )

(1)

2

sin

cos

pl

c

x

p

x

c

l

l

π

π

π

=

 

 
 
 
 
 
 
 

 

l

 

l

 

2

sin

pl

c

c

l

π

π

 

4

2

l

p

dla c

równe

l

  

  

  

=

 


Document Outline