Tehtävä 4.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla.

Samankaltaiset tiedostot
Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

4.3.7 Epäoleellinen integraali

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Numeeriset menetelmät

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Johdetaan välttämättömät ehdot funktionaalin. g(y(t), ẏ(t),...

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

Varatun hiukkasen liike

DIFFERENTIAALIYHTÄLÖN NUMEERISESTA RATKAISEMISESTA 2 1,5 0,5 -0,5 -1,5-2

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

1 Di erentiaaliyhtälöt

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Numeeriset menetelmät

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

Varatun hiukkasen liike

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Bifurkaatiot dierentiaaliyhtälöissä. Systeemianalyysin. Antti Toppila laboratorio. Teknillinen korkeakoulu

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 11. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 11 () Numeeriset menetelmät / 37

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

DYNAMIIKKA II, LUENTO 2 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Yleisiä integroimissääntöjä

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

Insinöörimatematiikka D

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

dt 2. Nämä voimat siis kumoavat toisensa, jolloin saadaan differentiaaliyhtälö

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

12. Differentiaaliyhtälöt

Jos siis ohjausrajoitusta ei olisi, olisi ratkaisu triviaalisti x(s) = y(s). Hamiltonin funktio on. p(0) = p(s) = 0.

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia. 1. Tarkastellaan väitettä

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Ratayhtälö ja Keplerin lait

2.7.4 Numeerinen esimerkki

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Insinöörimatematiikka D

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Luento 3: Käyräviivainen liike

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

Tilat ja observaabelit

Transkriptio:

Tehtävä.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla. x = (a + b cos(θ)) cos(ψ) y = (a + b cos(θ)) sin(ψ) = b sin(θ), a > b, θ π, ψ π Figure. Toruksen hajoituskuva Oletetaan, että hiukkaseen vaikuttaa ainoastaan sen pinnalla pitävä holonominen reaktiovoima. Osoitetaan, että hiukkasen liike toruksen uloimmalla ekvaattorilla on stabiilia, ja että sen liike sisemmällä ekvaattorilla on epästabiilia. Osoitetaan lisäksi, että pieni häiriö uloimman ekvaattorin radalla aiheuttaa rataan häiriön, jonka jälkeen rata leikkaa ekvaattorin jaksollisesti π [b(a + b)] välein, ja että pieni häiriö sisemmän ekvaattorin rataan aiheuttaa muutoksen siten että se leikkaa uloimman ekvaattorin kulmassa arctan( b/a). Kineettisen energian lausekkeeksi saadaan T = m (ẋ + ẏ + ż ) = m [b θ + ψ (a + b cos(θ)) ].

Kineettisen energian T osittaisderivaatoiksi muuttujien θ, ψ, θ, ψ suhteen saadaan T θ = b ψ sin(θ)(a + b cos(θ)) T θ = b θ T ψ = T ψ = ψ(a + b cos(θ)). Lagrangen liikeyhtälöt holonomiselle systeemille ovat siis () Toisinsanoen liikeyhtälöt ovat d dt [b θ] + b ψ sin(θ)(a + b cos(θ)) = d [ dt ψ(a ] + b cos(θ)) =. () d dt [b θ] + b ψ sin(θ)(a + b cos(θ)) = ψ(a + b cos(θ)) = c c R. Todetaan ensin että toruksen ulompi ekvaattori θ = on liikeyhtälöiden ratkaisu. Tällöin nimittäin ylempi yhtälö häviää, ja liikeyhtälö supistuu muotoon ψ(a + b) = c. Vastaavasti sisempi ekvaattori θ = π on ratkaisu. Tällöin vastaavasti ylempi yhtälö häviää, ja hiukkasen liikeyhtälö supistuu muotoon ψ(a b) = c. Molemmilla yhtälöillä on ratkaisu, jossa ψ on lineaarinen funktio ajan t suhteen. Entä sitten pieni häiriö? Tämä voidaan toteuttaa sopivien alkuehtojen avulla. Oletetaan, että hiukkasta häiritään hetkellä t =. Sopivat alkuehdot uloimman ekvaattorin θ = tapauksessa ovat esimerkiksi ψ() = ψ() = a θ() = θ() = ε Tässä ε edustaa "pientä häiriötä". Lisäksi täytyy valita ψ(), koska tällöin liikeyhtälöt surkastuisivat muotoon b θ =, jonka ratkaisut ovat ympyröitä tasossa

3 ψ = vakio. Vastaavasti sopivat alkuehdot edustamaan pientä häiriötä sisemmän ekvaattorin ψ = π tapauksessa ovat ψ() = π ψ() = a θ() = θ() = ε Muokataan sitten liikeyhtälöitä siten, että ne tulevat muotoon (3) Jos tämä esitetään systeeminä saadaan θ = ω = f b θ + ψ sin(θ)(a + b cos(θ)) = ψ(a + b cos(θ)) b θ ψ sin(θ)(a + b cos(θ)) = ψ = ω = f ω = ω sin(θ)(a + b cos(θ)) = f 3 b ω = bω ω sin(θ) () (a + b cos(θ)) = f. Entä sitten stabiilisuus? Oletetaan, että tarkoitetaan Liapunovin stabiilisuutta. Merkitään ẏ = ( θ, ψ, ω, ω ), ja f = (f, f, f 3, f ). Liikeyhtälösysteemin ẏ = f ainoa kriittinen piste on ω =, ω =. Linearisoidaan liikeyhtälöt origossa käyttämällä Taylorin kehitelmää ẏ = f f() + J(f)()y = J(f)()y. Jos lasketaan vektorin f Jacobin matriisi J(f) pisteessä ω =, ω = saadaan linearisoidun systeemin kerroin matriisi J(f)(θ, ψ,, ) =. Matriisin J(f)(θ, ψ,, ) spektri kriittisissä pisteissä on Linearisoitu systeemi on siis Λ(J(f)(θ, ψ,, )) = {,,, } θ = ω Näin ollen ψ = ω ω = ω = θ = ω = ψ = ω =.

Joten linearisoidun systeemin ratkaisut ovat θ = ω ()t + θ() ψ = ω ()t + ψ(). Lineaarisen systeemin ratkaisut ovat kriittisissä pisteissä epästabiileja, tulevatko sitten alkuperäisen systeemin kriittiset pisteet olemaan stabiileja, vai epästabiileja?. Eräs tapa lähestyä ongelmaa on vielä tarkastella kulman θ määrääviä yhtälöitä ensin differentiaalimuodossa. Alkuperäisistä liikeyhtälöistä voidaan ratkaista ψ, ja sijoittaa se ylempään yhtälöön. Tällöin saadaan dθ = ω dt c sin(θ) dω = b(a + b cos(θ)) dt 3 Oletetaan sitten, että ω. Differentiaalit dω ja dθ ovat funktioita muuttujista ω ja θ, mutta myös muuttujasta dt. Liikeyhtälöistä saadaan edelleen dt = dθ/ω. Näin ollen ja edelleen c sin(θ) dω = ω b(a + b cos(θ)) dθ, 3 dω dθ = c sin(θ) ω b(a + b cos(θ)). 3 Tämä on ensimmäisen kertaluvun separoituva differentiaaliyhtälö. Integroimalla saadaan ω = ω dω = c sin(θ) b (a + b cos(θ)) dθ + D 3 c = + D, D R. 8b (a + b cos(θ)) Faasitasossa (θ, ω ) ratakäyrät toteuttavat siis yhtälön ω + (a + b cos(θ)) = Db c. Kun otetaan huomioon alkuehdot θ() = (ulompi ekvaattori), ja θ() = π saadaan vakiot c, ja D esitettyä alkuehtojen θ(), ja ψ() avulla. Ulomman ekvaattorin ratakäyrät ovat ω + (a + b cos(θ)) = θ()b + ψ() ψ()(a b) Sisemmän ekvaattorin ratakäyrät ovat ω + (a + b cos(θ)) = θ()b + ψ() ψ()(a b).

5 Kysymys kuuluukin voiko tarpeeksi pienillä vakion c ja D arvoilla radat olla sulkeutuvia? c ω = ± D b (a + b cos(θ)). Kulmalle θ saadaan siis separoituva yhtälö dθ dt = ± c D b (a + b cos(θ)). Integroimalla saadaan ± dθ = t + E, E R. c D b (a+b cos(θ)) Jos tämä onnistuttaisiin integroimaan saataisiin funktio t = t(θ), joten integroinnin jälkeen olisi vielä löydettävä käänteisfunktio θ = θ(t), ja tämän jälkeen vielä ratkaisut, joilla on jakso T, siten että θ(t + T ) = θ(t). Integraalifunktiota ei kuitenkaan löytyne äärellisenä summana alkeisfunktioita, joten ehkä kysymyksessä on jokin tunnettu erikoisfunktio (esim. elliptiset funktiot?). Piirtämällä radat faasitasoon havaitaan että tarpeeksi pienillä alkunopeuksien arvoilla uloimmalta ekvaattorilta lähtevät radat ovat sulkeutuvia käyriä missä lisäksi kulma θ pysyy rajoitettuna joten ulompi ekvaattori on stabiili tasapainopiste systeemille. Lisäksi sisemmältä ekvaattorilta lähteville käyrille θ kasvaa rajatta joten sisempi ekvaattori on epästabiili. Tehdään liikeyhtälöiden lyhyt numeerinen analyysiä. Valitaan parametreiksi a ja b a = 3 b =. Valitaan menetelmäksi Rungen-Kutta-Fehlberg. Menetelmä on 5 kertaluvun eksplisiittinen ratkaisija neljännen asteen interpolantilla. Tarkastellaan aikaväliä t [, 8] (/ tuntia). Askelsäätö on valittu siten, että numeeriselle ratkaisulle θ, ja ψ on laskentapisteissä voimassa virhearvio θ(t) θ(t) < + c 8 D b (a b) = + 8 D c 8 ψ(t) ψ(t) < + c 8 (a b) = + 8 c, t [, 8]. 8

6 Otetaan ulomman ekvaattorin tapauksessa alkuehdoiksi ψ() =. rad s ψ() = θ() = θ() =. rad s Sisemmän ekvaattorin tapauksessa muutetaan vain alkuehto θ() = π. Ratkaisemalla liikeyhtälöt numeerisesti voidaan piirtää häirityt radat, sekä -koordinatit kulman ψ funktiona ulomman ja sisemmän ekvaattorin tapauksessa..8.6... 6 8 psi..6.8 Figure. -koordinaatti kulman ψ funktiona ulomman ekvaattorin tapauksessa

7 y x Figure 3. Häiritty rata ulomman ekvaattorin tapauksessa.5 6 8 psi.5 Figure. -koordinaatti kulman ψ funktiona sisemmän ekvaattorin tapauksessa Seuraavissa kuvissa on valittu kymmenen kertaa pienemmät alkukulmanopeudet, ja asetettu θ() = ψ() =.rad/s, lisäksi simulaatioaika on t [, 7] ( tuntia). Muut alkuehdot on pidetty samoina kuin ulomman ekvaattorin tapauksessa.

8 y x.8 Figure 5. Häiritty rata sisemmän ekvaattorin tapauksessa.6... 3 psi..6.8 Figure 6. -koordinaatti kulman ψ funktiona, kun θ() = ψ() =.rad/s

9 y x Figure 7. Häiritty rata, kun θ() = ψ() =.rad/s