Koblede svingninger. Thomas Dan Nielsen Troels Færgen-Bakmar Mads Sørensen juni 2005

Relaterede dokumenter
Grafregner-projekt om differentiation.

Diskriminantformlen. Frank Nasser. 12. april 2011

REGULARITET AF LØSNINGER M.M.

Formelsamling Matematik på højniveau version 2.0 af Daniel Thaagaard Andreasen & Kristian Jerlsev Aarhus Universitet Institut for Fysik og Astronomi

Hjemmeopgavesæt

2x MA skr. årsprøve

Test grafisk afledede Højere partielle afledede Differentiationsordenen er ligegyldig Partielle differentialligninger Test Laplaces ligning

Marius tanker. Af Hans Marius Kjærsgaard. - I et vektorfelt

Interferens og gitterformlen

Matematik D. Almen voksenuddannelse. Skriftlig prøve. Torsdag den 18. maj 2017 kl AVU172-MAT/D. (4 timer)

Kursusgang 5 Afledte funktioner og differentialer Repetition

Elementære funktioner

Elementære funktioner

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1

Kort om. Andengradspolynomier (2012) Karsten Juul

Danmarks Tekniske Universitet

Matematik Kursusopgave Kran Lastning Kran Lastning. Lavet af Morten Kvist & Benjamin Jensen Htx 3.2 Side 1 af 8

1 Worksheet et LinAlg1.mw (åbnes ved at trykke på trekanten ude til venstre)

Introduktion til Modelanalyse Note til Økonomiske Principper B

DesignMat Uge 8 Integration og elementære funktioner

RISIKOVURDERING. μg l = K 5,2. / l l

Elementær Matematik. Ligninger og uligheder

Projekt 7.3 Firkantstrigonometri og Ptolemaios sætning i cykliske firkanter

It i fagene - Helsingør. Det faglige digitale penalhus WORKSHOPS Matematik

Rettevejledning til HJEMMEOPGAVE 2 Makro 1, 2. årsprøve, foråret 2007 Peter Birch Sørensen

Bygningskonstruktion og Arkitektur, 5 (Dimensionering af bjælker)

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 4

Kaotisk kuglebevægelse En dynamisk analyse

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Fredag d. 2. juni 2017 kl

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 11. august 2015 kl

Grafisk design. Workflow. Hvordan blev det lavet?

En sumformel eller to - om interferens

Danmarks Tekniske Universitet

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 31. maj 2016 kl

Matematik - September 2001 Afleveret d. 27/4-2006

Energitæthed i et elektrostatisk felt

Matrx-vektor produkt Mikkel H. Brynildsen Lineær Algebra

Numeriske metoder - til løsning af differentialligninger - fra borgeleo.dk

OM SELVINDUKTION. Hvad er selvinduktion. 0 = H/m

Uddannelsesordning for uddannelsen til CNC Tekniker

Fri søjlelængder for rammekonstruktioner.

8 SØJLE OG VÆGELEMENTER 1

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

Konstruktion IIIb, gang 11 (Dimensionering af bjælker)

Vinkelrette linjer. Frank Villa. 4. november 2014

Forslag til Kommuneplantillæg med VVM-redegørelse for Ny 400 kv-højspændingsforbindelse fra Kassø til Tjele. Trekantområdets kommuner.

Danmarks Tekniske Universitet

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 27. maj 2014 kl

Eksamen i fysik 2016

Preben Holm - Copyright 2002

Bernoulli s lov. Med eksempler fra Hydrodynamik og aerodynamik. Indhold

Danmarks Tekniske Universitet

Marius tanker. Af Hans Marius Kjærsgaard. - I et vektorfelt

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

Undervisningsbeskrivelse

Aftale om overførsel af ferie i henhold til ferieaftalen af 21. juni 2012

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

Vektorer og lineær regression

Undervisningsbeskrivelse

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Torsdag d. 9. juni 2011 kl

Undervisningsbeskrivelse

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

Undervisningsbeskrivelse

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Fagårsplan 10/11 Fag: Matematik Klasse: 7.ABC Lærer: Henrik Stillits. Fagområde/ emne

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. 25. August 2011 kl

Maksimal udbøjning. Anvendelsesgrænsetilstand. Udbøjning. Lodret udbøjning: Acceptabel værdi (eurocode 3, s. 56, afsnit 7.2):

Studieretningsopgave

sningsopgave 1 afsløsningsopgave Kommentarer til resultaterne konomi Svar påp Brug af statistiske databaser af data

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

Undervisningsbeskrivelse

FJEDERHÆNGERE WITZENMANN

Undervisningsbeskrivelse

Ting man gør med Vektorfunktioner

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

Institut for Matematiske Fag Aalborg Universitet Specielt: Var(aX) = a 2 VarX 1/40. Lad X α, X β og X γ være stokastiske variable (vinkelmålinger) med

MATEMATIK A. Indhold. 92 videoer.

Den svingende streng

Additionsformlerne. Frank Villa. 19. august 2012

Undervisningsbeskrivelse

Algebra - Teori og problemløsning

Forslag til Kommuneplantillæg med VVM-redegørelse for Ny 400 kv-højspændingsforbindelse fra Kassø til Tjele. Silkeborg Kommune.

Matematikprojekt Belysning

Kræfter og Arbejde. Frank Nasser. 21. april 2011

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

Ting man gør med Vektorfunktioner

Generaliserede koordinater. Opstilling af Euler-Lagrange ligningerne

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Fredag d. 8. juni 2018 kl

Mekanik Legestue I - Gaussriffel og bil på trillebane

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave A

Fagårsplan 10/11 Fag: Matematik Klasse: 8.A Lærer: Henrik Stillits Fagområde/ emne Færdighedsregning - Typer af opgaver - Systematik

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Antag X 1, X 2,..., X n er n uafhængige stokastiske variable, hvor Var(X 1 )=σ 2 1,..., Var(X n )=σ 2 n.

Danmarks Tekniske Universitet

Undervisningsbeskrivelse

20 = 2x + 2y. V (x, y) = 5xy. V (x) = 50x 5x 2.

1. Bevægelse med luftmodstand

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Calculus

Transkript:

Koblee svingninger Thomas Dan Nielsen 20041151 Troels Færgen-Bakmar 20041116 Mas Sørensen 20040795 1. juni 2005 Institut for Fysik og Astronomi Det Naturvienskabelige Fakultet Aarhus Universitet

Inhol Resumé 1 Det matematiske penul 2 Ulening af ligning................................. 2 Approksimation.................................... 3 Snorkoblee penuler 4 Ulening af ligninger................................ 4 Approksimationer................................... 7 Grafisk repræsentation................................ 7 Fjeerkoblee penuler 8 Ulening af ligninger................................ 8 Approksimationer................................... 11 Grafisk repræsentation................................ 11 Stangkoblee penuler 12 Ulening af algoritme................................ 12 i

Resumé Vi unersøgte fire penulsystemer, hvoraf e tre var koblee. Tre af e fire systemer unersøgte vi ve brug af Euler-Lagrangeligningen, og en siste ve kraftbetragtninger. Euler-Lagranges ligning skrives som t q i E Lag q i = 0, i [1,...,n], hvor q i er e variable for stevektoren. På enne måe, kan man reucere en lagrangeske energi, E Lag := E kin E pot, a alle le, hvori q i og q i ikke ingår, har værien nul. Ve brug af enne teori, var vi i stan til at ulee nogle koblee ifferentialligninger af anen oren, er beskriver penulernes bevægelse i ti og rum. Me hensyn til et siste system, så blev er anvent kraftbetragtninger til at ulee en fremskrivningsalgoritme, er beskriver penulernes bevægelse. Det lit specielle ve enne algoritme er, at en giver en eksakt beskrivelse af systemet. 1

Det matematiske penul Vi starter me at introucere en velkente teori for bevægelsen at et ganske normalt matematisk penul af typen, er er skitseret neenfor: Figur 1: Matematisk penul, er svinger i papirets plan. Om penulet antager vi, at snoren er masseløs, alle former for friktion negligeres og tyngeaccelerationen er konstant, me værien g. Vi vil her introucere en lagrangeske formulering af mekanikken, er anvenes for to af e tre følgene koblee systemer. Ulening af ligning Af Figur 1 følger et, at a er vælges et kartesisk koorinatsystem me positiv retning opa, er penulets position og hastighe samt kvaratet på ets fart givet ve r = l sinθ, l cosθ = l sinθ, cosθ, v = l cosθ θ, sinθ θ = l θ cosθ,sinθ, v 2 = v 2 = l 2 θ2 cos 2 θ + sin 2 θ = l 2 θ2, hvor θ θ t. Penulets Lagrangeenergi er så givet ve E Lag := E kin E pot = 1 2 mv2 mgh = 1 2 ml2 θ2 + mgl cosθ. 1 Som et næste, skal vi nu bruge Euler-Lagranges ifferentialligning, t q i E Lag q i = 0, i = 1,...,n, 2 er er velegnet til beskrivelse af koblee penuler, iet er kun behøves energibetragtninger. Da θ kun ingår i anet le i 1, er E Lag θ = mgl sinθ = mgl sinθ. 2

Viere er t E Lag θ θ = 1 2 ml2 2 θ = ml 2 θ, = ml 2 θ, hvor θ θ t. Ifølge 2, kan penulets bevægelse uner e føromtalte forusætninger nu beskrives ve følgene ligning: ml 2 θ g mgl sinθ = 0 = θ + sinθ = 0. 3 l Man observerer, at 3 er en såkalt ikke-lineær ifferentialligning af anen oren. Approksimation Det er velkent, at for små usving, er sinθ θ en go approksimation. Dette giver anlening til en såkalt linearisering af systemet, hvorve visse af e kvalitative egenskaber ve løsningskurverne bevares. Laves enne approksimation, forenkles 3 til θ + g l θ = 0, er er en ganske alminelig lineær ifferentialligning af anen oren, me en generelle løsning θt = C 1 exp g/l t + C2 exp g/l t, hvor C 1,C 2 R er konstanter, er bestemmes u fra systemets startbetingelser. 3

Snorkoblee penuler Ve brug af en lagrangeske formulering af mekanikken, vil vi opstille nogle ifferentialligninger, er beskriver to koblee matematiske penuler me masserne m 1 og m 2, som er fastgjort i to masseløse, stive snore me længerne l 1 og l 2. De to vinkler, som snorene anner me loret, kaler vi θ 1 henholsvis θ 2. Tyngeaccelerationen antages at være konstant me værien g, og esuen negligeres enhver form for friktion. Figur 2: Snorkoblee penuler, er svinger i papirets plan. Ulening af ligninger Ve samme fremgangsmåe som for et enkeltmatematisk penul, vil vi nu beskrive systemet, vist på Figur 2. Det øverste penul beskrives naturligvis helt på samme måe som et enkeltmatematisk penul, så v1 2 = l2 θ 1 1 2. Nu til et neerste penul: r 2 = l 1 sinθ 1 + l 2 sinθ 2, l 1 cosθ 1 l 2 cosθ 2, v 2 = l 1 cosθ 1 θ 1 + l 2 cosθ 2 θ 2,l 1 sinθ 1 θ 1 + l 2 sinθ 2 θ 2. Vi skal så have beregnet kvaratet på farten. Da v 2 = v 2, er v2 2 = l1 2 cos 2 θ 1 θ 1 2 + 2l 1 cosθ 1 θ 1 l 2 cosθ 2 θ 2 + l2 2 cos 2 θ 2 θ 2 2 + l1 2 sin 2 θ 1 θ 1 2 + 2l 1 sinθ 1 θ 1 l 2 sinθ 2 θ 2 + l2 2 sin 2 θ 2 θ 2 2 = l1 2 θ 1 2 cos 2 θ 1 + sin 2 θ 1 + l2 2 θ 2 2 cos 2 θ 2 + sin 2 θ 2 + 2l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ1 sinθ 2 + cosθ 1 cosθ 2. 4

Ve brug af en trigonometriske subtraktionsformel og Iiotformlen, finer man, at Systemets samlee kinetiske energi er altså cosθ 1 θ 2 = sinθ 1 sinθ 2 + cosθ 1 cosθ 2, E kin = E kin,1 + E kin,2 v 2 2 = l2 1 θ 2 1 + l2 2 θ 2 2 + 2l 1l 2 θ1 θ2 cosθ 1 θ 2. = 1 2 m 1v 2 1 + 1 2 m 2v 2 2 = 1 2 m 1l 2 1 θ 2 1 + 1 2 m 2l 2 1 θ 2 1 + 1 2 m 2l 2 2 θ 2 2 + m 2l 1 l 2 θ1 θ2 cosθ 1 θ 2 = 1 2 m 1 + m 2 l 2 1 θ 2 1 + 1 2 m 2l 2 2 θ 2 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 cosθ 1 θ 2. Den samlee potentielle energi er hurtigt bestemt: E pot = E pot,1 + E pot,2 = m 1 gh 1 + m 2 gh 2 = m 1 g l 1 cosθ 1 + m 2 g l 1 cosθ 1 l 2 cosθ 2 = m 1 + m 2 gl 1 cosθ 1 m 2 gl 2 cosθ 2. Lagrangeenergien er ifølge ovenståene beregninger givet ve E Lag = 1 2 m 1 + m 2 l 2 1 θ 2 1 + 1 2 m 2l 2 2 θ 2 2 + m 2l 1 l 2 θ1 θ2 cosθ 1 θ 2 + m 1 + m 2 gl 1 cosθ 1 + m 2 gl 2 cosθ 2. 4 Igen skal vi nu have opstillet Euler-Lagranges ifferentialligning, men enne gang båe for θ 1 og θ 2. Vi starter me θ 1, så iet enne variabel ingår i treje og fjere le i 4, er E Lag θ 1 = m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 m 1 + m 2 gl 1 sinθ 1. Yerligere har vi, at θ 1 ingår i første og treje le i 4, så E Lag θ 1 = 1 2 m 1 + m 2 l 2 1 2 θ 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 = m 1 + m 2 l 2 1 θ 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2. Da højresien af enne ligning er en sammensat funktion, har vi me f g = f g + g f, at t θ = m 1 + m 2 l1 θ 2 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ2 sinθ 1 θ 2 θ1 θ 2 1 = m 1 + m 2 l1 θ 2 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ2 2 sinθ 1 θ 2. 5

Dette giver os, at t θ 1 E Lag θ 1 = m 1 + m 2 l 2 1 θ 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ2 2 sinθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 m 1 + m 2 gl 1 sinθ 1 = m 1 + m 2 l 2 1 θ 1 + m 2 l 1 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ2 2 sinθ 1 θ 2 + m 1 + m 2 gl 1 sinθ 1. Man bemærker, at l 1 er en fælles faktor i alle leene ovenfor, så Euler-Lagrangeligningen for θ 1 bliver herme m 1 + m 2 l 1 θ1 + m 2 l 2 θ2 cosθ 1 θ 2 + m 2 l 2 θ2 2 sinθ 1 θ 2 + m 1 + m 2 g sinθ 1 = 0. 5 Nu fortsætter vi me θ 2. Eftersom θ 2 ingår i treje og femte le i 4, er E Lag θ 2 = m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ1 θ 2 1 + m 2 gl 2 sinθ2 = m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 m 2 gl 2 sinθ 2. Yerligere har vi, at θ 2 ingår i anet og treje le i 4, hvorve og erme E Lag θ 2 = 1 2 m 2l 2 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2 = m 2 l 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2, t θ 2 Nu er vi snart ve vejs ene, for t θ 2 = m 2 l 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ1 sinθ 1 θ 2 θ1 θ 2 = m 2 l 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ2 1 sinθ 1 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2. E Lag θ 2 = m 2 l 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ2 1 sinθ 1 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ1 θ2 sinθ 1 θ 2 m 2 gl 2 sinθ 2 = m 2 l 2 2 θ 2 + m 2 l 1 l 2 θ1 cosθ 1 θ 2 m 2 l 1 l 2 θ2 1 sinθ 1 θ 2 + m 2 gl 2 sinθ 2. Her ingår m 2 l 2 i hvert le, så en søgte ligning for θ 2 er altså l 2 θ2 + l 1 θ1 cosθ 1 θ 2 l 1 θ2 1 sinθ 1 θ 2 + g sinθ 2 = 0. 6 6

Approksimationer Antag, at penulerne kun ufører ganske små usving, altså at θ 1, så er sinθ θ og cosθ 1 og erme sinθ 1 θ 2 0 og cosθ 1 θ 2 1 goe approksimationer, hvilket tillaer os at forenkle 5 og 6 til m 1 + m 2 l 1 θ1 + m 2 l 2 θ2 + m 1 + m 2 g sinθ 1 = 0, l 2 θ2 + l 1 θ1 + gθ 2 = 0. Grafisk repræsentation De to ligninger 5 og 6 er såkalte koblee ifferentialligninger, og for at kunne få noget brugbar information u af em, skal ette ligningssystem løses me hensyn til θ 1 og θ 2, hvorefter e fremkomne løsninger skal fremskrives numerisk efter følgene formler: θ 1,i+1 = θ 1,i + θ 1,i t, θ 2,i+1 = θ 2,i + θ 2,i t, θ 1,i+1 = θ 1,i + θ 1,i t, θ 2,i+1 = θ 2,i + θ 2,i t, hvor θ 1,i og θ 2,i beregnes u fra 5 og 6, me θ 1 = θ 1,i og θ 2 = θ 2,i. Da løsningen til ligningssystemet, beståene af 5 og 6, er et stort og temmelig kompliceret utryk, følger her nu blot et par grafer for penulernes usving som funktion af tien: 1,5 1 theta_1 / ra theta_2 / ra 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 t / s -0,5-1 -1,5 Figur 3: Numerisk løsning af 5 og 6, me startbetingelserne m 1 = 85,77 g, m 2 = 99,53 g, l 1 = 48,2 cm, l 2 = 44,0 cm, θ 1 0 = 0,97 ra og θ 2 0 = 0 ra. Den røe graf er for θ 1 t og en blå er for θ 2 t. Systemet på Figur 2 synes at svinge kaotisk, eller også er perioen i hvert tilfæle ganske stor. 7

Fjeerkoblee penuler Ve brug af en lagrangeske formulering af mekanikken, vil vi opstille nogle ifferentialligninger, er beskriver to koblee matematiske penuler me masserne m 1 og m 2, som er fastgjort i to masseløse, stive snore me fælles længe l. Mellem penulerne er er uspænt en fjeer me fjeerkonstant k og naturlig længe, er antages at være masseløs. De to vinkler, som snorene anner me loret, kaler vi θ 1 henholsvis θ 2. Tyngeaccelerationen antages at være konstant me værien g, og esuen negligeres enhver form for friktion. Figur 4: Fjeerkoblee penuler, er svinger i papirets plan. Ulening af ligninger Fjeerens potentielle energi er givet ve 1 2 k 2, hvor er ænringen i fjeerens længe. Ve brug af Pythagoras sætning, en trigonometriske ientitet øverst sie 5 og Iiotformlen, fås + l sinθ 2 l sinθ 1 2 + l cosθ1 l cosθ 2 2 2 2 = [ = 2 + 2l sinθ 2 sinθ 1 + l 2 sin 2 θ 2 2sinθ 1 sinθ 2 + sin 2 θ 1 + l 2 cos 2 θ 1 2cosθ 1 cosθ 2 + cos 2 θ 2 ] 1/2 2 [ = l 2 sin 2 θ 1 + cos 2 θ 1 + sin 2 θ 2 + cos 2 θ 2 2 sinθ 1 sinθ 2 + cosθ 1 cosθ 2 + 2l sinθ 2 sinθ 1 + 2] 1/2 2 = 2l 2 1 cosθ 2 θ 1 + 2l sinθ 2 sinθ 1 2 + 2. 8

For at lette notationen, efinerer vi i et følgene f : R 2 R + ve fθ 1,θ 2 := 2l 2 1 cosθ 2 θ 1 + 2l sinθ 2 sinθ 1 + 2 = 2l 2 2l 2 cosθ 2 θ 1 + 2l sinθ 2 2l sinθ 1 + 2. Systemets samlee potentielle energi er altså givet ve E pot = E pot,1 + E pot,2 + E pot,fjeer = m 1 gh 1 + m 2 gh 2 + 1 2 k 2 = m 1 gl cosθ 1 m 2 gl cosθ 2 + 1 2 k fθ 1,θ 2 2. Nu til en kinetiske energi: Da fjeeren som sagt er antaget at være masseløs, er E kin,fjeer = 0. Igen kan vi nu rage nytte af e inleene beregninger for et matematiske penul, for heraf ses nemlig irekte, at Dette giver så, at E kin = E kin,1 + E kin,2 + E kin,fjeer = 1 2 m 1l 2 θ2 1 + 1 2 m 2l 2 θ2 2. E Lag = 1 2 m 1l 2 θ2 1 + 1 2 m 2l 2 θ2 2 + m 1 gl cosθ 1 + m 2 gl cosθ 2 1 2 k fθ1,θ 2 2. 7 For at fine en afleee af 7, me hensyn til θ 1, skal vi nu bruge reglen for ifferentiation af sammensatte funktioner, er nemt giver os følgene: [ 2 ] = [ fθ1,θ 2 ] 2 fθ1,θ 2 = f θ 1,θ 2, θ 1 θ 1 fθ1,θ 2 θ 1 Viere gæler er, at [ 2 ] = [ fθ1,θ 2 ] 2 fθ1,θ 2 = f θ 1,θ 2. θ 2 θ 2 fθ1,θ 2 θ 2 f θ 1 θ 1,θ 2 = 2l 2 sinθ 2 θ 1 2l cosθ 1 = 2l l sinθ 2 θ 1 cosθ 1. Da θ 1 ingår i treje og femte le i 7, giver ovenståene beregninger os, at E Lag = m 1 gl sinθ 1 1 θ 2 k fθ1,θ 2 2l l sinθ 2 θ 1 cosθ 1 1 fθ1,θ 2 = m 1 gl sinθ 1 + kl cosθ 1 l sinθ 2 θ 1 fθ 1,θ 2. fθ1,θ 2 Hva angår θ 1, så ingår enne kun i første le i 7, hvorve man nemt ser, at t E Lag θ 1 = 1 2 m 1l 2 2 θ 1 = m 1 l 2 θ1, θ 1 = m 1 l 2 θ1. 9

Dette betyer, at t θ 1 E Lag = m 1 l 2 θ1 + m 1 gl sinθ 1 kl cosθ 1 l sinθ 2 θ 1 fθ1,θ 2. θ 1 fθ1,θ 2 Iet l ingår i alle le i enne ligning, bliver Euler-Lagranges ligning for θ 1 erme m 1 l θ 1 + m 1 g sinθ 1 k cosθ 1 l sinθ 2 θ 1 fθ 1,θ 2 fθ1,θ 2 = 0. 8 Vi fortsætter så me θ 2 : Eftersom får man nemt af beregningerne for θ 1, at Da θ 2 ingår i fjere og femte le i 7, er E Lag θ 2 = m 2 gl sinθ 2 1 2 k cosθ 2 θ 1 = cosθ 2 θ 1, θ 2 θ 1 f θ 2 θ 1,θ 2 = 2l l sinθ 2 θ 1 cosθ 2. fθ1,θ 2 2l l sinθ 2 θ 1 cosθ 2 fθ1,θ 2 = m 2 gl sinθ 2 + kl l sinθ 2 θ 1 cosθ 2 fθ 1,θ 2. fθ1,θ 2 Hva angår θ 2, så ingår enne kun i anet le i 7, hvilket giver følgene: Det vil sige, at t θ 2 t E Lag θ 2 = 1 2 m 2l 2 2 θ 2 = m 2 l 2 θ2, θ 2 = m 2 l 2 θ2. E Lag = m 2 l 2 θ2 + m 2 gl sinθ 2 kl l sinθ 2 θ 1 cosθ 2 fθ1,θ 2. θ 2 fθ1,θ 2 Ligesom i en tilsvarene ligning for θ 1, så ingår l også her i hvert le, så Euler-Lagrangeligningen for θ 2 bliver erfor m 2 l θ 2 + m 2 g sinθ 2 k l sinθ 2 θ 1 cosθ 2 fθ 1,θ 2 fθ1,θ 2 = 0. 9 Man ser, at enne ligning miner meget om 8, hvilket også virker ganske fornuftigt, en store symmetri taget i betragtning. 10

Approksimationer Antag, at penulerne kun ufører ganske små usving, altså at θ 1, så kan vi bruge samme approksimationer som for e snorkoblee penuler, hvilket tillaer os at forenkle 8 og 9 til m 1 l θ 1 + m 1 gθ 1 + klθ 1 θ 2 = 0, m 2 l θ 2 + m 2 gθ 2 klθ 1 θ 2 = 0. Altså er et betyeligt nemmere at beskrive systemet me isse ligninger, men man skal passe, at usvingene og erme usikkerheen ikke bliver for stor, hvilket nemt kan ske. Grafisk repræsentation De to ligninger 8 og 9 er såkalte koblee ifferentialligninger, og for at kunne få noget brugbar information u af em, skal ette ligningssystem løses me hensyn til θ 1 og θ 2, hvorefter e fremkomne løsninger skal fremskrives numerisk efter følgene formler: θ 1,i+1 = θ 1,i + θ 1,i t, θ 2,i+1 = θ 2,i + θ 2,i t, θ 1,i+1 = θ 1,i + θ 1,i t, θ 2,i+1 = θ 2,i + θ 2,i t, hvor θ 1,i og θ 2,i beregnes u fra 8 og 9, me θ 1 = θ 1,i og θ 2 = θ 2,i. Da løsningen til ligningssystemet, beståene af 8 og 9, er et stort og temmelig kompliceret utryk, følger her nu blot et par grafer for penulernes usving som funktion af tien: 0,2 theta_1 / ra theta_2 / ra 0,1 t 0 0 5 10 15 20 25 30-0,1-0,2 Figur 5: Numerisk løsning af 8 og 9, me startbetingelserne m 1 = 240 g, m 2 = 319 g, l = 86,0 cm, θ 1 0 = 0,22 ra og θ 2 0 = 0,16 ra. Den røe graf er for θ 1 t og en blå er for θ 2 t. Tilsynelaene svinger penulerne på Figur 4 kaotisk. 11

Stangkoblee penuler Dette system vil vi beskrive anerlees en e tre anre; vi vil nemlig bruge kraftbetragtning til at fine en algoritme, hvorme man kan lave rekursiv fremskrivning af systems bevægelse. La j 1, j 2, k 2 og k 1 betegne snorlængerne, og la l k være længen af stangen. Loernes masser betegnes me m 1 henholsvis m 2, og snorkræfterne betegnes T 1, T 2, E 2 og E 1, er vil have retning fra penulet og mo ophængningspunktet; e to penulloers positioner kales M 1 og M 2. Antag, at er er tale om to matematiske penuler me stive og masseløse snore, er er ophængt i punkterne P 1 og P 2, og stangen er ophængt i O, me punktet S som sammenkoblingspunkt mellem stangen og snorene me længerne j 2 og k 2. Yerligere antages et, at tyngeaccelerationen er konstant me værien g, og at systemet er friktionsløst. Bemærk, at vektor x betegner vektorens x-koorinat, og altså ikke ens x-afleee. Figur 6: Stangkoblee penuler, er svinger i y,z-planen. Ulening af algoritme I punktet S er F = 0, så S s koorinater kan fines u fra snorkræfterne T 2 og E 2. Det centrale i ette er, at et er kræfternes numeriske størrelse, er afgører positionen af punktet S u fra ets tiligere position, altså rekursivt, ve S ny = O l k T 2 + E 2 = O l k T2 M 1 S + E 2 M 2 + S. 10 Da vi ikke kan få L A TEX til at lave hatten bre nok, har vi benyttet notationen vektor for en tværvektor. Viere har vi nu for M 1, at T 1,y + T 2,y = m 1 M1,y, 11 T 1,z + T 2,z = m 1 g + m 1 M1,z. 12 12

Ve betragtning af passene ensvinklee trekanter og fortegnsovervejelser, ses et, at følgene forkortelser vil være smarte: Ve brug af 11 og 12, fås ernæst følgene: T 1 = T 2 = E 1 = E 2 = a 1 := T 1,z T 1,y = P 1 M 1 z P 1 M 1 y, b 1 := T 2,z T 2,y = S M 1 z S M 1 y, a 2 := E 1,z E 1,y = P 2 M 2 z P 2 M 2 y, b 2 := E 2,z E 2,y = S M 2 z S M 2 y. j 1 P 1 M 1 z m1gb 1 + m 1 M1,z b 1 m 1 M1,y b 1 a 1, 13 j 2 S M 1 z m1ga 1 + m 1 M1,z a 1 m 1 M1,y a 1 b 1, 14 k 1 P 2 M 2 z m2gb 2 + m 2 M2,z b 2 m 2 M2,y b 2 a 2, 15 k 2 S M 2 z m2ga 2 + m 2 M2,z a 2 m 2 M2,y a 2 b 2. 16 Nu til bestemmelsen af e nye snorlænger, hvis pars sum naturligvis er konstant: j 1,ny = P 1 M 1,ny, j 2,ny = j 1 + j 2 j 1,ny, k 1,ny = P 2 M 2,ny, k 2,ny = k 1 + k 2 k 1,ny. Dette var utrykkene for S s position og e fire snorspæninger, så for valgte startbetingelser, kan man nu gå i gang me selve fremskrivningsalgoritmen, er forløber som følger: Først finer vi e nye positioner af loerne: Vi fortsætter så me loernes nye hastigheer: M 1,ny = M 1 + Ṁ1 t, M 2,ny = M 2 + Ṁ2 t. v 1,ny = Ṁ1,ny = Ṁ1 + M 1 t, v 2,ny = Ṁ2,ny = Ṁ2 + M 2 t. 13

Nu skal vi have bestemt accelerationerne i næste fremskrivningstrin: a 1,ny = M 1,ny = T 1,ny + T 2,ny + m 1 g m 1 = T 1,nyP 1 M 1 + T 2,ny S M 1 + 0,0, m 1 g m 1, a 2,ny = M 2,ny = E 1,ny + E 2,ny + m 2 g m 2 = E 1,nyP 2 M 2 + E 2,ny S M 2 + 0,0, m 2 g m 2. Fin som et siste S ny u fra 10, og e fire snorkræfter u fra 13 16, ve brug af e netop funne snorlænger. Herme er et vist, hvoran man beskriver systemet til tien t senere. Det er klart, at en eksakt beskrivelse fås for t 0, a tilstanene så er nøjagtigt beskrevet til enhver ti, t 0. 14