单摆运动方程及其周期近似解

1、精选优质文档-倾情为你奉上单摆运动周期和相轨迹特性的研究摘要：本文首先分别用基本形式拉格朗日方程和保守系下的拉格朗日方程求解单摆运动方程，其次通过线性近似法求解在小摆角下的周期近似解，再通过构建“局部常化”的近似处理方法，得到大摆角运动周期的一个新结论。最后，用数值模拟（四阶龙格-库塔法）求解无阻尼无驱动单摆非线性方程，用origin作图软件绘制出时，取不同初值时的相轨迹，并分析了其相轨迹特性，验证对小角度单摆几乎只有摆动，对大角度单摆既有摆动又有转动。关键词：单摆运动 周期 非线性 局部常化 椭圆积分 数值模拟 相轨迹引言：非线性引起复杂性，复杂性产生的根源即“原来是禁锢在笼子里的非线性老虎

2、被释放了”。对线性模型简单、容易分析，且线性微分方程可求其解析解，而非线性模型复杂、不容易分析，非线性方程不容易求其解析解，我们利用这两种性质可对某一具体问题进行不同方式的分析，得出一部分规律。单摆模型是简单与复杂的综合体，对该模型可用：线性化法、近似解析法、数值法和向空间法进行求解，分析。本文求出单摆微分方程后，首先通过线性近似法求解在小摆角下的周期近似解，再通过构建“局部常化”的近似处理方法，得到大摆角运动周期的一个新结论，有用数值法和相空间法，验证了单摆运动在取不同初值时的运动形态，即为摆动或摆动加转动特性，对单摆特性研究有一定价值。除了对无阻尼无驱动单摆系统研究，我们可将该分析方法用与

3、其他几类单摆模型。正文：1 单摆运动方程的求解单摆运动问题是一个古老而又十分有趣的问题。对于摆长为L，最大摆角为的单摆系统，由于只有重力做功，因此满足机械能守恒。分别用基本形式拉格朗日方程和保守系下的拉格朗日方程来求解如下：（1）基本形式拉格朗日方程为： （1）自由度为1，取广义坐标为，有： 广义力为：代入基本拉格朗日方程，得（2）保守系下的拉格朗日方程为 （2）自由度为1，取广义坐标为，有：代入到（1）式中，有令 ，则有 （3）（3）式是一个非线性微分方程，而大多数非线性微分方程都很难找到其解析解，这给动力系统的分析带来了很大的困难。再者，非线性系统能产生“混沌”现象，其解析解通常也是非常复

4、杂的。文献和文献分别从机械能守恒定律和相图关系求出了精确的单摆运动周期公式：近似为，则（2）式可简化为，对其两边乘以2，然后积分： 得 即 其中c为常数积分。当摆动到最大角度时，。所以，因此， 分离变量并积分 如果t=0时，并设T是单摆的振动周期，则t=T/4时，所以 （4）令，-1 < <1。两边积分，得： 则（4）右边被积函数写为： 积分限位时时，上式求解有： （5）其中是单摆的最大摆角。式（5）适合于任意摆角下的单摆运动，但这个公式是用完全椭圆公式表示的，过于复杂，应用时需要查椭圆积分表，因而实用性不强。本文先通过线性近似求出小角度下的单摆等时公式，其次通过构建“局部常化”的

5、近似处理方法，给出在时近似度较好的一个单摆运动周期解。2 小摆角下的周期近似解在单摆运动系统中，如果摆角很小（一般）时，可将单摆运动近似成一种简谐振动。对于运动方程（3），可以做如下近似：由于摆角很小，所以可以将非线性因子作一级近似，将方程（3）转化成线性方程。即有：，所以（3）式可写成： （6）该方程的解为： 所以，现在，我们将这种近似周期公式与精确的周期公式进行比较，其结果如表1示：（T由椭圆积分表查得）表1：与的相对误差对比3461020300.99980.99970.99930.99810.99250.98284050607080900.96960.95260.93180.90740.

6、87910.8427从表中可以看到，当最大摆角较小时，由计算得到的周期相对误差较小，而当最大摆角较大时，相对误差较大。3“局部常化”的近似周期解上面，我们将作了一级近似，将非线性微分方程转换成了线性微分方程，但通过表1我们看到，这种近似是很粗略的，当大较大时产生的误差比较大。现在，我们需通过构建“局部常化”的近似方法来给出近似度较好的单摆运动周期解公式。对于方程（3），我们可以采用，将作如下变换： （7）在这里，我们将变量视为常量。其中。现在，将（7）式代入（3）式得 （8）其中，。式（8）是对动力学方（3）的有一个修正，将一个分线性问题转换成一个线性问题。由（6）式我们可以很容易的得到单摆的

7、周期公式 （9）式中的是一个修正常数，修正的方发事将式（6）与标准式（3）在取不同角度时进行比较。通过取的不同值进行尝试比较，我们发现修正值为=0.496时有比较高的精度。下面我们将这种近似公式与精确的周期公式进行比较，结果如下表2所示.表2：与的相对误差对比3461020301.00001.00001.00001.00001.00000.99984050607080900.99980.99981.00001.00081.00211.0043表2的数据表明，当时，公式的近似度很好，相对公式来说近似度明显的提高了。4 数值模拟分析相轨迹 运动微分方程： 数值编程：令t=x,则微分方程转换为： 用

8、四阶龙格-库塔法程序如下： Function f(y As Double) As Double g = 9.8 l = 0.6 f = -g * Sin(y) / lEnd FunctionPrivate Sub Command1_Click() Dim g As Double, l As Double, n As Integer, h As Double, a As Double, b As Double Dim t As Double, t0 As Double, t1 As Double, y0 As Double, y1 As Double, z0 As Double, z1 As D

9、ouble Dim l1 As Double, l2 As Double, l3 As Double, l4 As Double a = 0: b = 2 n = 800 h = (b - a) / n Open "时间.txt" For Output As #1 Open "角度.txt" For Output As #2 Open "角速度.txt" For Output As #3 y0 = 20: z0 = 6: t0 = a For t = a To b Step h t1 = t0 + h l1 = f(y0) l2 =

10、f(y0) l3 = f(y0 + (h 2 * l1) / 4) l4 = f(y0 + h 2 * l2 / 2) y1 = y0 + h * z0 + h 2 * (l1 + l2 + l3) / 6 z1 = z0 + h * (l1 + 2 * l2 + 2 * l3 + l4) / 6 Text1.Text = Text1.Text & t & " " & Format(y1, "#.#") & " " & Format(z1, "#.#") & vbCr

11、LfWrite #1, t Write #2, y1 Write #3, z1 y0 = y1 z0 = z1 Next t Close #1, #2, #3End Sub按理论： （1）取n=800,t=0-2s,g=9.8kg2/s,l=0.6m。初值：,z0=0、1、 2、 3、 4、 5rad/s 同一横坐标z1，同一纵坐标y1模拟相轨迹如下：20 5 20 4 20 3 20 2 20 1 20 0分析：由图可知初值在角度y一定的情况下，随着初角速度z的增大，相轨迹椭圆越来越大，并且在在初值为5时，椭圆出现缺口。由于，所以，即相轨迹方程。总能量为初值y不变，初值 z增大后，摆能量增大

12、，对应椭圆面积较大，图示符合理论，当初始能量越大，单摆由摆动转为振动，如果继续取值。椭圆缺口会越来越大，最后形状变化无规律可寻。（2）取n=800,t=0-2s,g=9.8kg2/s,l=0.6m。初值：z0=0rad/s，y0= 1、20、30、50、65、75度，同一横坐标z1，模拟相轨迹如下：1 020 0 30 0 50 0 65 0 75 0分析：由图可知在初角速度z一定的情况下，随着角度y的增大，相轨迹椭圆变化较明显。初值为1度时，椭圆近似为圆；当初值小于30度时，椭圆纵横向都增大，符合能量公式；当初值为50度时，椭圆纵向显著增大横向显著减小，当初值为65度时，椭圆又产生缺口，再到

13、后面变化不一。由于，所以，即相轨迹方程。总能量为：初值z0不变， y0增大后，能量增大，小角度摆动符合理论规律，大角度已不仅仅为摆动，除此之外，由于对应椭圆纵向取值范围不一致，可比性较差。5结论本文从最基本点着手，首先分别用基本形式拉格朗日方程和保守系下的拉格朗日方程求解单摆运动微分方程，再通过线性近似求出了小摆角下的单摆运动周期，通过表格分析，我们看到这种近似法求出的单摆周期在大摆角下的近似程度是很差的。接着，我们通过构建“局部常化”近似方法，巧妙的将分线性因子进行了线性化，从而得到了一个近似程度较好的单摆运动周期解。通过表格分析，我们确实看到这个公式在的情况下的近似程度的确很好。 最后，用

14、数值模拟（四阶龙格-库塔法）求解无阻尼无驱动单摆非线性方程，用origin作图软件绘制出时取不同初值时的相轨迹，并分析了其相轨迹特性：初值y不变，初值 z增大后，摆能量增大，对应椭圆面积较大，图示符合理论：初值z不变， y增大后，对应椭圆纵向取值范围不一致,图示可对比性较差，但总体来说，对摆的小角度摆动相轨迹近似为圆，大角度既有摆动又有转动，摆相轨迹规律难找。参考文献【1】 周衍柏.理论力学教程.高等教育出版社，1986年3月第二版.【2】 赵凯华.从单摆到混沌.现代物理知识，1993，5（8）：12-14.【3】Marion J B.Classical Dynamics.New York:Academic press,1965,181-182.【4】 谭志中.求大摆角周期近似解的“局部常化”方法，大学物理，2005