
La vibración de placas es un caso particular del problema más general de las vibraciones mecánicas . Las ecuaciones que rigen el movimiento de las placas son más sencillas que las de los objetos tridimensionales generales, ya que una de las dimensiones de una placa es mucho menor que las otras dos. Esto permite que una teoría de placas bidimensional proporcione una excelente aproximación al movimiento tridimensional real de un objeto con forma de placa. [ 1 ]
Se han desarrollado varias teorías para describir el movimiento de las placas. Las más utilizadas son la teoría de Kirchhoff-Love [ 2 ] y la de Uflyand-Mindlin [ 3 ] [ 4 ] . Esta última teoría es analizada en detalle por Elishakoff [ 5 ] . Las soluciones a las ecuaciones que rigen el movimiento, predichas por estas teorías, pueden brindar información sobre el comportamiento de objetos con forma de placa, tanto en condiciones libres como forzadas . Esto incluye la propagación de ondas y el estudio de ondas estacionarias y modos de vibración en placas. El tema de las vibraciones de placas se trata en libros de Leissa [ 6 ] [ 7 ] , Gontkevich [ 8 ] , Rao [ 9 ] , Soedel [ 10 ] , Yu [ 11 ] , Gorman [ 12 ] [ 13 ] y Rao [ 14 ] .
Platos Kirchhoff-Love
Las ecuaciones que rigen la dinámica de una placa de Kirchhoff-Love son:
dóndeson los desplazamientos en el plano de la superficie media de la placa,es el desplazamiento transversal (fuera del plano) de la superficie media de la placa,es una carga transversal aplicada que apunta a(hacia arriba), y las fuerzas y momentos resultantes se definen como
Tenga en cuenta que el espesor de la placa esy que las resultantes se definen como promedios ponderados de las tensiones en el plano.. Las derivadas en las ecuaciones gobernantes se definen como
donde los índices latinos van de 1 a 3 mientras que los índices griegos van de 1 a 2. Se sobreentiende la suma sobre índices repetidos.las coordenadas están fuera del plano mientras que las coordenadasyestán en el plano. Para una placa de espesor uniforme de espesory densidad de masa homogénea
Placas isotrópicas de Kirchhoff-Love
Para una placa isotrópica y homogénea, las relaciones tensión-deformación son:
dóndeson las deformaciones en el plano yes el coeficiente de Poisson del material. Las relaciones deformación-desplazamiento para placas de Kirchhoff-Love son
Por lo tanto, los momentos resultantes correspondientes a estas tensiones son
Si ignoramos los desplazamientos en el plano, las ecuaciones gobernantes se reducen a
- dóndees la rigidez a la flexión de la placa. Para una placa uniforme de espesor,
La ecuación anterior también se puede escribir con una notación alternativa:
En mecánica de sólidos , una placa se suele modelar como un cuerpo elástico bidimensional cuya energía potencial depende de cómo se dobla respecto a una configuración plana, en lugar de cómo se estira (como ocurre en el caso de una membrana, por ejemplo, la de un tambor). En tales situaciones, una placa vibrante puede modelarse de forma análoga a un tambor vibrante . Sin embargo, la ecuación diferencial parcial resultante para el desplazamiento vertical w de una placa respecto a su posición de equilibrio es de cuarto orden, e involucra el cuadrado del laplaciano de w , en lugar de segundo orden, y su comportamiento cualitativo es fundamentalmente diferente al del tambor de membrana circular.
Vibraciones libres de placas isotrópicas
Para vibraciones libres, la fuerza externa q es cero, y la ecuación que rige una placa isotrópica se reduce a
o
Esta relación puede derivarse de forma alternativa considerando la curvatura de la placa. [ 15 ] La densidad de energía potencial de una placa depende de cómo se deforma la placa y, por lo tanto, de la curvatura media y la curvatura gaussiana de la placa. Para pequeñas deformaciones, la curvatura media se expresa en términos de w , el desplazamiento vertical de la placa desde el equilibrio cinético, como Δ w , el laplaciano de w , y la curvatura gaussiana es el operador de Monge-Ampère w xx w yy − w 2 xy . La energía potencial total de una placa Ω tiene, por lo tanto, la forma
aparte de una constante de normalización global no esencial. Aquí μ es una constante que depende de las propiedades del material.
La energía cinética viene dada por una integral de la forma
El principio de Hamilton afirma que w es un punto estacionario con respecto a las variaciones de la energía total T + U. La ecuación diferencial parcial resultante es
placas circulares
Para placas circulares que vibran libremente,y el laplaciano en coordenadas cilíndricas tiene la forma
Por lo tanto, la ecuación que rige las vibraciones libres de una placa circular de espesores
Ampliado,
Para resolver esta ecuación utilizamos la idea de separación de variables y asumimos una solución de la forma
Sustituyendo esta solución supuesta en la ecuación gobernante obtenemos
dóndees una constante y :=2\rho h/D} . La solución de la ecuación de la derecha es
La ecuación del lado izquierdo se puede escribir como
dóndeLa solución general de este problema de valores propios , apropiada para placas, tiene la forma
dóndees la función de Bessel de orden 0 de primera especie yes la función de Bessel modificada de orden 0 de primera especie. Las constantesyse determinan a partir de las condiciones de contorno. Para una placa de radiocon una circunferencia fija, las condiciones de contorno son
A partir de estas condiciones de contorno encontramos que
Podemos resolver esta ecuación para(y hay un número infinito de raíces) y a partir de eso se hallan las frecuencias modales.También podemos expresar el desplazamiento de la forma
Para una frecuencia dadaEl primer término dentro de la suma en la ecuación anterior da la forma modal. Podemos encontrar el valor deutilizando la condición de contorno apropiada eny los coeficientesya partir de las condiciones iniciales aprovechando la ortogonalidad de los componentes de Fourier.
modo n = 1
modo n = 2
placas rectangulares

Consideremos una placa rectangular que tiene dimensionesen el-plano y espesoren el-dirección. Buscamos encontrar los modos de vibración libre de la placa.
Supongamos un campo de desplazamiento de la forma
Entonces,
y
Sustituyendo estos valores en la ecuación gobernante se obtiene
dóndees una constante porque el lado izquierdo es independiente demientras que el lado derecho es independiente deDesde el lado derecho, entonces tenemos
Desde el lado izquierdo,
dónde
Dado que la ecuación anterior es un problema de valores propios biarmónico , buscamos soluciones de expansión de Fourier de la forma
Podemos comprobar que esta solución satisface las condiciones de contorno para una placa rectangular que vibra libremente con bordes simplemente apoyados:
Sustituyendo la solución en la ecuación biarmónica obtenemos
Comparación con la expresión anterior paraindica que podemos tener un número infinito de soluciones con
Por lo tanto, la solución general para la ecuación de la placa es
Para encontrar los valores deyutilizamos condiciones iniciales y la ortogonalidad de los componentes de Fourier. Por ejemplo, si
obtenemos,
Referencias
- ↑ Reddy, JN, 2007, Teoría y análisis de placas y láminas elásticas , CRC Press, Taylor and Francis.
- ↑ AEH Love , Sobre las pequeñas vibraciones libres y deformaciones de las cáscaras elásticas , Philosophical trans. of the Royal Society (Londres), 1888, Vol. série A, N° 17 p. 491–549.
- ↑ Uflyand, Ya. S., 1948, Propagación de ondas por vibraciones transversales de vigas y placas, PMM: Journal of Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 12, pp. 287-300 (en ruso)
- ↑ Mindlin, RD 1951, Influencia de la inercia rotacional y el esfuerzo cortante en los movimientos de flexión de placas elásticas isotrópicas, ASME Journal of Applied Mechanics, Vol. 18 pp. 31–38
- ↑ Elishakoff, I., 2020, Handbook on Timoshenko-Ehrenfest Beam and Uflyand-Mindlin Plate Theories , World Scientific, Singapur, ISBN 978-981-3236-51-6
- ↑ Leissa, AW, 1969, Vibración de placas, NASA SP-160, Washington, DC: Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos
- ^ Leissa, AW y Qatu, MS, 2011, Vibración de sistemas continuos, Nueva York: Mc Graw-Hill
- ↑ Gontkevich, VS, 1964, Vibraciones naturales de placas y cáscaras, Kiev: Editorial “Naukova Dumka”, 1964 (en ruso); (Traducción al inglés: Lockheed Missiles & Space Co., Sunnyvale, CA)
- ↑ Rao, SS, Vibración de sistemas continuos, Nueva York: Wiley
- ↑ Soedel, W., 1993, Vibraciones de cáscaras y placas, Nueva York: Marcel Dekker Inc., (segunda edición)
- ↑ Yu, YY, 1996, Vibraciones de placas elásticas, Nueva York: Springer
- ↑ Gorman, D., 1982, Análisis de vibración libre de placas rectangulares, Ámsterdam: Elsevier
- ↑ Gorman, DJ, 1999, Análisis de vibraciones de placas mediante el método de superposición, Singapur: World Scientific
- ↑ Rao, JS, 1999, Dinámica de placas, Nueva Delhi: Narosa Publishing House
- ↑ Courant, Richard; Hilbert, David (1953), Métodos de física matemática. Vol. I , Interscience Publishers, Inc., Nueva York, NY, MR 0065391
Véase también
- Mecánica del continuo
- vibraciones mecánicas