525307 การสั่นทางกล (Mechanical Vibration)   4(4-0-8) วิชาบังคับก่อน : 525203 พลศาสตร์วิศวกรรม ความสำคัญ       การสั่นเป็นพฤติกรรมที่เกิดขึ้นเมื่อระบบได้รับแรงกระทำแล้วไปกระตุ้นให้ระบบเกิดการเคลื่อนตัวแกว่งไปมา การสั่นภายใต้เงื่อนไขไม่พึงประสงค์มักก่อให้เกิดความเสียหายแก่เครื่องจักรหรือระบบ หรือทำให้ระบบทำงานไม่มีประสิทธิภาพ เช่น การสั่นของแขนกลทำให้เกิดความไม่แม่นยำในการนำไปหยิบจับชิ้นงาน การสั่นของหัวอ่านฮาร์ดดิสก์ขณะเคลื่อนตัวทำให้การอ่านเขียนข้อมูลไม่มีประสิทธิภาพ การสั่นของเครื่องยนต์ส่งผลให้ห้องโดยสารสั่นสะเทือนจนเกิดความไม่สบายในการขับขี้ การสั่นของตึกระฟ้าจากผลของแรงลมทำให้ผู้อยู่อาศัยเกิดความไม่สบายและก่อความล้าแก่โครงสร้างตึกจนนำไปสู่การพังความเสียหาย เป็นต้น ดังนั้น วิศกรจึงจำเป็นต้องศึกษาการสั่นทางกลให้เกิดความเข้าใจเพื่อใช้ออกแบบระบบให้ทำงานได้อย่างปลอดภัย โดยทั่วไปการศึกษาการสั่นทางกลมีวัตถุประสงค์เพื่อนำไปออกแบบระบบป้องกันหรือลดกันการสั่นที่จะเกิดขึ้น เช่น ออกแบบระบบกันสะเทือนของรถยนต์เพือลดแรงกระแทกจากล้อกับถนนที่จะส่งไปยังห้องโดยสาร เป็นต้น ในทางวิศวกรรมแบ่งการสั่นออกเป็น 2 ประเภทหลัก คือ (1) การสั่นแบบอิสระ (free vibration) คือการสั่นของระบบที่ปราศจากแรงภายนอกมากระตุ้นในขณะสั่น (ให้แรงเริ่มต้นแล้วนำแรงออก และปล่อยให้ระบบแกว่งหรือสั่นด้วยตัวเองอย่างอิสระ) การศึกษาการสั่นแบบอิสระจะทำให้ได้พารามิเตอร์ที่สำคัญตัวหนึ่งของระบบคือ “ความถี่ธรรมชาติ (natural frequency)” และ (2) การสั่นภายใต้แรงกระตุ้นภายนอกขณะสั่น เรียกว่า “การสั่นแบบบังคับ (force vibration)” เช่น การสั่นของเครื่องยนต์จากผลของแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เป็นต้น โดยลักษณะของแรงกระตุ้นอาจมีหลายรูปแบบ อาทิ แบบคงตัว แบบทรานเซียนหรือขึ้นกับเวล่า แบบคาบซึ่งอาจอยู่ในรูปแบบฮาร์โมนิกส์ หรือแบบนอนฮาร์โมนิกส์ เป็นต้น

หากแรงกระตุ้นมีจังหวะที่พอดีกับคาบการสั่นแบบอิสระของระบบ (ความถี่ธรรมชาติ) จะทำให้เกิดการเสริมกันก่อให้เกิดการสั่นที่มีขนาดรุนแรงขึ้น เรียกว่า “เรโซแนนซ์ (Resonance)” ผลของเรโซแนนซ์สามารถสร้างความเสียหายได้อย่างรุนแรงกับระบบ ตัวอย่างเช่น การพังถล่มของสะพาน Tacoma Narrows ที่พังทลายลงเนื่องจากลมที่พัดกระโชกมากระทบด้วยความเร็วเพียง 68 km/h แต่เนื่องจากจังหวะการกระโชก (ความถี่) พอดีกับจังหวะการสั่นขึ้นลง (ความถี่ธรรมชาติของการสั่น) ของสะพาน การสั่นจึงเกิดการเสนิมขึ้นเรื่อยๆ จนทำให้สะพานแกว่งแรงขึ้นและพังลงในที่สุด (รูปบน) ดังนั้น ความเข้าใจพฤติกรรมของระบบเมื่อต้องทำงานหรือใช้งานภายใต้สภาวะการสั่นจึงมีความสำคัญกับวิศวกรเป็นอย่างยิ่ง การออกแบบและติดตั้งชิ้นส่วน อุปกรณ์ เครื่องจักร โครงสร้างทุกชนิด ต้องคำนึงถึงผลกระทบจากการสั่นเสมอ เพื่อควบคุมการสั่นของระบบให้อยู่ในช่วงที่ต้องการ และป้องกันไม่ได้ระบบตกอยู่ภายใต้สภาวะเรโซแนนซ์ซึ่งจะก่อความเสียหายได้

การแกว่งชิงช้าเป็นตัวอย่างอย่างง่ายที่ใช้อธิบายการสั่นและเรโซแนนซ์ เมื่อโล้ชิงช้าขึ้นไปสูงระดับหนึ่งจากนั้นปล่อย ชิงช้าจะตกลงมาและแกว่งไปมาอย่างอิสระ การแกว่งเช่นนี้คือพฤติกรรมการแกว่งอย่างอิสระ (การสั่นแบบอิสระ) หากในขณะที่ชิงช้าแกว่งอยู่นั้นผู้ไกวชิงช้าก็พยายามออกแรงไปพร้อมกันด้วย การแกว่งเช่นนี้เป็นการแกว่งแบบบังคับ (การสั่นแบบบังคับ) เช่น ผู้ไกวอาจจะค่อยๆ ออกแรงสวนทิศทางการแกว่งซึ่งก็จะทำให้ชิงช้าค่อยๆ ช้าลง เป็นต้น แต่หากผู้ไกวจะออกแรงเสริมในจังหวะที่พอดีกับการแกว่งของชิงช้า ก็จะทำให้ชิงช้าแกว่งแรงขึ้นและสูงขึ้นเรื่อยๆ (คาบการให้แรงพอดีกับคาบการสั่นแบบอิสระ) ลักษณะเช่นนี้ก็คือเรโซแนนซ์

(ซ้าย) ระบบกันสะเทือนของรถยนต์ซึ่งประกอบไปด้วยสปริงและตัวหน่วง (damper) ถูกออกแบบเพื่อลดแรงกระแทกที่จะส่งสู่ห้องโดยสาร (กลาง) การติดตั้ง Tuned mass damper ของอาคารไทเป 101 ที่ไต้หวัน ซึ่งใช้ลูกตุ้มเหล็กหนัก 662 ตัน เส้นผ่าศูนย์กลาง 5.5 เมตร ติดตั้งอยู่ระหว่างชั้นที่ 88-92 เพื่อลดการสั่นของตึก (ขวา) การวัดการสั่นของระบบเป็นงานสำคัญในด้านซ่อมบำรุงเชิงป้องกัน (preventive maintenance) เพื่อตรวจสอบสภาวะของระบบ ข้อมูลที่ได้จากการวัดสามารถใช้วิเคราะห์ความเสียหายของเครื่องจักรว่าเกิดที่ชิ้นส่วนใดได้

สังเขปรายวิชา       ระบบที่มีความอิสระอันดับหนึ่ง การสั่นโดยการหมุน การเคลื่อนที่แบบอิสระ การสั่นแบบบังคับรูปแบบต่ำง ๆ การสั่นแบบหน่วง การสั่นพ้อง ระบบที่มีความอิสระหลายอันดับ พิกัดหลักและพิกัดปกติ การตอบสนองในโหมดบรรทัดฐานระบบต่อเนื่อง การหาความถี่ธรรมชาติและรูปร่างการสั่น วิธีการลดและควบคุมการสั่นแบบต่าง ๆ เอกสารประกอบการเรียน ภาคการศึกษา 2/2561       - Intro-Mechanical Vibration       - Free Vibration of SDOF       - General Force Response       - Vibration measurement       - Vibration Analysis for Industrial