双摆和三摆

                     

贡献者: addis; FFjet

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预备知识 拉格朗日方程

1. 双摆

图
图 1:双摆

运动方程

图
图 2:数值模拟结果,动画见这里,代码见 “双摆的数值计算(Matlab)”。

  

未完成:文字说明
N 摆的动能可以参考这里
(1)T=12m1(l1ω1)2+12m2[(l1ω1cosθ1+l2ω2cosθ2)2+(l1ω1sinθ1+l2ω2sinθ2)2] ,
(2)V=m1gl1cosθ1m2g(l1cosθ1+l2cosθ2) ,
(3)L(θ1,θ2,ω1,ω2)=T(ω1,ω2)V(θ1,θ2) ,
(4)ddtLωi=Lθi(i=1,2) .

   令 α=θ2θ1,得

(5)Tω1=(m1+m2)l12ω1+m2l1l2cosαω2 ,
(6)Tω2=m2l1l2cosαω1+m2l22ω2 ,
(7)ddtTω1=(m1+m2)l12ω˙1+m2l1l2cosαω˙2m2l1l2sinα(ω2ω1) ,
(8)ddtTω2=m2l1l2cosαω˙1+m2l22ω˙2m2l1l2sinα(ω2ω1)ω1 ,
(9)Tθ1=m2l1l2sinαω1ω2 ,
(10)Tθ2=m2l1l2sinαω1ω2 ,
(11)Vθ1=m1gl1sinθ1+m2gl1sinθ1 ,
(12)Vθ2=m2gl2sinθ2 .
代入式 4
(13)(m1+m2)l1ω˙1+m2l2cosαω˙2=m2l2sinαω22(m1+m2)gsinθ1 ,
(14)l1cosαω˙1+l2ω˙2=l1sin(θ1θ2)ω12gsinθ2 ,
解得
(15)ω˙1=m2l2sinαω22(m1+m2)gsinθ1+m2[l1sinαω12+gsinθ2]cosαm1l1+m2l1sin2α ,
(16)ω˙2=[(m1+m2)gsinθ1m2l2sinαω22]cosα(m1+m2)[l1sinαω12+gsinθ2]m1l2+m2l2sin2α .

2. 刚体双摆

图
图 3:刚体双摆的模拟结果,动画见这里,代码见 “双摆的数值计算(Matlab)”。

   若第一个质量为 m1 刚体的质心用 l1,θ1 描述,关于质心的转动惯量为 I1,第二个刚体质量为 m2,转轴与第一个刚体的转轴距离 r1,与第一个刚体质心的夹角为 α,那么

(17)T=12m1l12ω12+12I1ω12+12m2[(r1ω1cos(θ1+α)+l2ω2cosθ2)2+(r1ω1sin(θ1+α1)+l2ω2sinθ2)2]+12I2ω22=12(m1l12+m2r12+I1)ω12+12(m2l22+I2)ω22+m2r1l2cos(θ1+αθ2)ω1ω2 ,
T=aω12+bω22+cω1ω2,注意 a,b 是常数,而 c 是时间的函数。

(18)V=m1gl1cosθ1m2g(r1cos(θ1+α)+l2cosθ2) .
这样,
(19)ddtTω1=2aω˙1+cω˙2+cθ1ω1ω2+cθ2ω22 ,
(20)ddtTω2=2bω˙2+cω˙1+cθ1ω12+cθ2ω1ω2 ,
(21)Tθ1=cθ1ω1ω2,Tθ2=cθ2ω1ω2 ,
(22)Vθ1=m1gl1sinθ1+m2gr1sin(θ1+α),Vθ2=m2gl2sinθ2 .
代入拉格朗日方程式 4
(23)2aω˙1+cω˙2=cθ2ω22Vθ1 ,
(24)cω˙1+2bω˙2=cθ1ω12Vθ2 ,
这里不具体写出 ω˙1,ω˙2 的解,可以直接使用克拉默法则

3. 三摆

图
图 4:三摆

   如图 4 所示,三根质量不计的杆长度分别为 l1,l2,l3,三个质点的质量分别为 m1,m2,m3。我们把这个模型叫做三摆。三摆常用于演示物理学中的混沌现象。

运动方程

  

未完成:文字说明
(25)T=12m1(l1ω1)2+12m2[(l1ω1cosθ1+l2ω2cosθ2)2+(l1ω1sinθ1+l2ω2sinθ2)2]+12m3[(l1ω1cosθ1+l2ω2cosθ2+l3ω3cosθ3)2+(l1ω1sinθ1+l2ω2sinθ2+l3ω3sinθ3)2] .
(26)V=m1gl1cosθ1m2g(l1cosθ1+l2cosθ2)m3g(l1cosθ1+l2cosθ2+l3cosθ3) .
(27)L(θ1,θ2,θ3,ω1,ω2,ω3)=T(ω1,ω2,ω3)V(θ1,θ2,θ3) .
(28)ddtLωi=Lθi(i=1,2,3) .

   这是一个二阶微分方程组。

                     

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