METODY OBLICZENIOWE. Projekt nr 3.4. Dariusz Ostrowski, Wojciech Muła 2FD/L03



Podobne dokumenty
Dynamika manipulatora. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Cybernetyki Technicznej Politechnika Wrocławska. Podstawy robotyki wykład VI

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

Modelowanie układów dynamicznych

Podstawy robotyki wykład VI. Dynamika manipulatora

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

mechanika analityczna 1 nierelatywistyczna L.D.Landau, E.M.Lifszyc Krótki kurs fizyki teoretycznej

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Symetrie i prawa zachowania Wykład 6

Etap 1. Rysunek: Układy odniesienia

Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Kinematyka: opis ruchu

Więzy i ich klasyfikacja Wykład 2

Modelowanie wybranych zjawisk fizycznych

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Wydział Inżynierii Środowiska; kierunek Inż. Środowiska. Lista 2. do kursu Fizyka. Rok. ak. 2012/13 sem. letni

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

Definicje i przykłady

Kinematyka płynów - zadania

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

Układy fizyczne z więzami Wykład 2

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Fizyka 1(mechanika) AF14. Wykład 5

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Opis ruchu obrotowego

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

1. Kinematyka 8 godzin

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Kinematyka: opis ruchu

IV.3 Ruch swobodny i nieswobodny. Więzy. Reakcje więzów

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Ćwiczenia nr 7. TEMATYKA: Krzywe Bézier a

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Model odpowiedzi i schemat oceniania do arkusza II

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

VII.1 Pojęcia podstawowe.

Blok 2: Zależność funkcyjna wielkości fizycznych. Rzuty

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

Wykład 2 - zagadnienie dwóch ciał (od praw Keplera do prawa powszechnego ciążenia i z powrotem..)

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Wstęp do równań różniczkowych

Geometria analityczna

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI KLASA II

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Obliczanie długości łuku krzywych. Autorzy: Witold Majdak

Rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych za pomocą komputera

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 5

MECHANIKA II. Dynamika układu punktów materialnych

PRACA. MOC. ENERGIA. 1/20

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.1, Mechanika, szczególna teoria względności / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7.

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Ruch pod wpływem sił zachowawczych

WYMAGANIA EDUKACYJNE PRZEDMIOT : FIZYKA ROZSZERZONA

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

ROZWIĄZANIA DO ZADAŃ

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

Rozdział 1. Prędkość i przyspieszenie... 5 Rozdział 2. Składanie ruchów Rozdział 3. Modelowanie zjawisk fizycznych...43 Numeryczne całkowanie,

Przykładowe zdania testowe I semestr,

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Dynamika Newtonowska trzy zasady dynamiki

Plan wynikowy z wymaganiami edukacyjnymi przedmiotu fizyka w zakresie rozszerzonym dla I klasy liceum ogólnokształcącego i technikum

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

WYKAZ TEMATÓW Z LABORATORIUM DRGAŃ MECHANICZNYCH dla studentów semestru IV WM

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

KATEDRA ELEKTROTECHNIKI LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI

Z przedstawionych poniżej stwierdzeń dotyczących wartości pędów wybierz poprawne. Otocz kółkiem jedną z odpowiedzi (A, B, C, D lub E).

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Transkrypt:

METODY OBLICZENIOWE Projekt nr 3.4 Dariusz Ostrowski, Wojciech Muła 2FD/L03

Zadanie Nasze zadanie składało się z dwóch części: 1. Sformułowanie, przy użyciu metody Lagrange a II rodzaju, równania różniczkowego dla podanego układu mechanicznego. 2. Obliczenia i wizualizacja zachowania układu dla zadanych parametrów. Schemat układu przedstawia rysunek. g x m1 y l m2 z Układ składa się z dwóch punktów materialnych o masach m 1 i m 2 połączonych nieskrętną nicią o długości l, która została przeciągnięta przez otwór w płaszczyźnie. Na układ działa przyspieszenie grawitacyjne g (zwrot zaznaczony na rysunku). W układzie nie występuje tarcie. Parametry układu: m 1, m 2 masy punktów materialnych, l długość sznura, g przyspieszenie grawitacyjne Założenia: punkt 1 porusza się na płaszczyźnie YZ, zaś punkt 2 porusza się wzdłuż osi X. Wyprowadzenie równania Współrzędne uogólnione Do opisu punktu materialnego w przestrzeni R 3 potrzebne są trzy współrzędne; niech współrzędne x 1, y 1 i z 1 odnoszą się do punktu nr 1 (o masie m 1 ), zaś x 2, y 2 i z 2 do drugiego punktu (o masie m 2 ). Zatem liczba stopni swobody układu nieskrępowanego: n = 6. W układzie występują trzy więzy: 2

1. Punkt materialny nr 1 porusza się na płaszczyźnie YZ, stąd x 1 = 0. 2. Punkt materialny nr 2 porusza się wzdłuż osi X, stąd y 2 = z 2 = 0. 3. Ruch punktów materialnych 1 i 2 nie jest niezależny. Uwzględniając wyżej wymienione więzy oraz długość sznurka l możemy stwierdzić, że pomiędzy współrzędnymi y 1 i z 1, a współrzędną x 2 występuje zależność: y 2 1 + z 2 1 = (l + x 2 ) 2. Łączna liczba więzów holonmicznych występujących w układzie wynosi: h = 4 (punkt 1. jedno równanie, punkt 2. dwa równania, punkt 3. jedno równanie). Stąd liczba stopni swobody układu jest równa: s = n h = 6 4 = 2. Jako współrzędne uogólnione przyjmiemy odległość r masy m 1 od otworu, przez który przeciągnięty jest sznur, oraz kąt (ϕ) obrotu sznura względem dodatniej półosi Z, czyli: q = (q 1,q 2 ) = (r,ϕ). r m1 ϕ z Wykorzystując wybrane współrzędne uogólnione oraz równania więzów przygotujemy wzory transformacyjne: y z 1 = r cos(ϕ), y 1 = r sin(ϕ), x 2 = r l, ż 1 = ṙ cosϕ r ϕsin(ϕ), ẏ 1 = ṙ sinϕ r ϕcos(ϕ), ẋ 2 = ṙ W ten sposób wszystkie niezerowe współrzędne i prędkości opisu pierwotnego są wyrażone przez współrzędne uogólnione i ich pochodne po czasie. 3

Równanie Lagrange a Energia kinetyczna układu wyrażona we współrzędnych pierwotnych wynosi: T = 1 2 m 1(ẏ 2 1 + ż 2 1) + 1 2 m 2(ẋ 2 2). Energia potencjalna punkt materialnego o masie m 2 jest wprost proporcjonalna do odległości tej masy od płaszczyzny (x 2 ); zatem U = m 2 g x 2. Po wykorzystaniu wzorów transformacyjnych, powyższe funkcje energii kinetycznej i potencjalnej przyjmują postać: T = 1 2 m ( 1 r2 ϕ 2 + ṙ 2) ( ) 1 + m 2ṙ2 2 g(r l), U = m 2 g (r l). Funkcja Lagrange a układu wyrażona we współrzędnych uogólnionych przyjmuje postać: L = T U = 1 2 m ( 1 r2 ϕ 2 + ṙ 2) ( ) 1 + m 2ṙ2 2 g(r l). Równanie Lagrange a ma postać: d dt ( L ġ i przy czym i {1,2} q 1 = r oraz q 2 = ϕ. ) L q i = P qi D qi q i Obliczamy pochodne cząstkowe występujące w równaniach Lagrange a: L ṙ = m 1ṙ = (m 1 + m 2 )ṙ, L ϕ = m 1r 2 ϕ, L r = m 1rϕ 2 m 2 g, L ϕ = 0. 4

Równania ruchu Ponieważ na układ nie działają siły zewnętrzne oraz nie występują tłumienia ruchu, to równania ruchu przyjmują postać: Obliczając pochodne ostatecznie otrzymujemy: d dt [(m 1 + m 2 )ṙ] m 1 r ϕ 2 + m 2 g = 0, d [ m1 r 2 ϕ ] = 0. dt (m 1 + m 2 ) r m 1 r ϕ + m 2 g = 0, m 1 ( r2 ϕ + 2rṙ ϕ ) = 0. Realizacja w programie Matlab 6.0 Wbudowane w program Matlab funkcje rozwiązujące układy równań różniczkowych potrafią operować na równaniach postaci y = f (x,y). W naszym przypadku wektor y = [V r,ω ϕ,r,ϕ], zaś y = [V r,ω ϕ,r,ϕ ]. Należało tak przeformułować równania ruchu, aby mogły zostać obliczone przez program Matlab. Po prostych przekształceniach otrzymaliśmy: V r = m 1rω 2 ϕ m 2 g m 1 + m 2 ω ϕ = 2rV rω ϕ m 1 r = V r ω = ω ϕ m 1 r 2 = 2V rω ϕ r Wspomniane funkcje, używane przez nas, to ode23 oraz ode45, które rozwiązują układy równań przy użyciu metody Rungego-Kutty; funkcja ode45 jest bardziej dokładna (i jednocześnie wolniejsza), niż ode23. Równania są na tyle proste, że nie musieliśmy badać zachowania modelu dla innych funkcji serii ode. Użycie funkcji ode jest następujące: [T,Y] = ode( funkcja, tspan, y0) gdzie funkcja oblicza prawą stronę wyżej wymienionego układu (wektor y), tspan określa przedział czasu lub konkretne wartości t dla których wyznaczany jest wektor y. Parametr y0 to wektor wartości początkowych. Funkcja musi być zapisana w M-pliku; poniżej używana przez nas funkcja 5

function [Dx]=derivative(t, x) global m1 m2 g l % parametry układu Vr = x(1) % wartości z kroku poprzedniego Vfi = x(2) % Vfi -- prędkość kątowa r = x(3) % sprawdzenie skrajnych przypadków if r < 1e-3 r = 1e-3 Vr = 0 end if r > l r = l Vr = 0 end % wyznaczenie wektora a = (m1*r*vfi*vfi - m2*g)/(m1+m2) b = (-2*Vr*Vfi)/r c = Vr d = Vfi Dx = [a; b; c; d] % Vr Vfi r fi Interfejs graficzny został zaprojektowany we wbudowanym w Matlab programie GUIDE. Użytkownik ma możliwość wprowadzenia wszystkich parametrów układu (za wyjątkiem przyspieszenia grawitacyjnego, które zostało ustalone na 9,98 m/s), zadać wartości początkowe oraz wybrać funkcję wykorzystywaną do obliczeń, określić krok czasowy i ilość kroków. Po obliczeniach można oglądnąć animację ruchu i obserwować na bieżąco wszystkie parametry lub też zobaczyć trajektorię ruchu masy m 1 albo wykres r(t). 6

7

Przykładowe wyniki Oscylacje 8

Ruch swobodny Duża siła odśrodkowa 9

Ruch po okręgu (r < l) Taki efekt można uzyskać dla następujących danych: m 1 = 4, m 2 = 2, l = 10, r = 5 ω ϕ = 10 (Vfi). Ponieważ rysunki są w tym przypadku nieciekawe (m 1 porusza się po okręgu, r = const), więc nie zostaną zamieszczone. Wnioski Parametry równań ruchu nie zależą od czasu t ani od kąta ϕ. Na zachowanie układu mają wpływ trzy parametry. Równania ruchu mają sens fizyczny tylko gdy parametr r (0,l). Gdy r jest bliskie 0 (bliskie, ze względu na błędy obliczeń numerycznych), układ się zatrzymuje. Podobnie, gdy r staje się dostatecznie bliskie l, oznacza to, że siła odśrodkowa jest na tyle duża, że od tej chwili masa m 1 będzie poruszać się po okręgu o promieniu l. Obydwa skrajne przypadki zostały uwzględnione w M-funkcji. W zachowaniu modelu układu można wyróżnić cztery stany, w zależności od relacji pomiędzy siłą grawitacji działającą, a siłą odśrodkową spowodowaną ruchem obrotowym. Siły równoważą się i ruch masy punktowej m 1 odbywa się po okręgu (jeden z rysunków wyżej). Przeważa wyraźnie siła grawitacji i ww masa systematycznie zbliża się do otworu. Przeważa wyraźnie siła odśrodkowa i ww masa oddala się od otworu aż na długość sznura. W układzie występuję rezonans r(t) jest funkcją sinusoidalną. 10