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

Samankaltaiset tiedostot
Värähtelevä jousisysteemi

Monisilmukkainen vaihtovirtapiiri

Kevään 2011 pitkän matematiikan ylioppilastehtävien ratkaisut Mathematicalla Simo K. Kivelä /

Van der Polin yhtälö. virtap6.nb 1

Harjoitus 5 -- Ratkaisut

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

Harjoitus 4 -- Ratkaisut

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Differentiaaliyhtälöryhmän numeerinen ratkaiseminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Radioaktiivinen hajoaminen

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Tykillä ampuminen 2. missä b on ilmanvastuskerroin, v skalaarinen nopeus, nopeus vektorina ja nopeuden suuntainen yksikkövektori.

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

laskuv.nb 1 Laskujen aluksi on syytä hävittää mahdollisista aiemmista laskuista jääneet muuttujat.

Luento 11: Periodinen liike

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Partikkelit pallon pinnalla

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

Luento 11: Periodinen liike

Luento 13: Periodinen liike

Peto- ja saaliskanta

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Van der Polin yhtälö

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

KIERTOHEILURI JA HITAUSMOMENTTI

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

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

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Luento 2: Liikkeen kuvausta

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Differentiaaliyhtälöryhmä

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

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

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

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

plot(f(x), x=-5..5, y= )

Luento 3: Käyräviivainen liike

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

Harjoitus 2 -- Ratkaisut

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

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

12. Differentiaaliyhtälöt

Laskuvarjohyppy. painovoima, missä on maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys, sekä ilmanvastus, jota arvioidaan yhtälöllä

Harjoitus 3 -- Ratkaisut

Insinöörimatematiikka D

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

FYSA210/2 PYÖRIVÄ KOORDINAATISTO

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luvun 10 laskuesimerkit

Harjoitus 2 -- Ratkaisut

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

Harjoitus 10: Mathematica

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

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

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

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

BM30A0240, Fysiikka L osa 4. Värähtelyfysiikkaa. Luennot: Heikki Pitkänen

Derivointiesimerkkejä 2

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

4 Kaksi- ja kolmiulotteinen liike

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Luento 5: Käyräviivainen liike

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Luento 3: Käyräviivainen liike

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

Harjoitus 7 -- Ratkaisut

Insinöörimatematiikka D

Fysiikka ei kerro lopullisia totuuksia. Jokin uusi havainto voi vaatia muuttamaan teorioita.

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

nopeammin. Havaitaan, että kussakin tapauksessa kuvaaja (t, ϕ)-koordinaatistossa on nouseva suora.

Ensimmäisen kertaluvun yhtälön numeerinen ratkaiseminen

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

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

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Transkriptio:

Mathematican version 8 mukainen. (25.10.2012 SKK) Tavallinen heiluri Otetaan tarkastelun kohteeksi tavallinen yksinkertainen heiluri. Tämä koostuu kitkattomaan niveleen kiinnitetystä (massattomasta) varresta sekä sen päässä olevasta kuulasta. Olkoon varren pituus L ja sen päässä olevan kuulan massa m. Kun heiluri poikkeutetaan tasapainoasemastaan ja se vapautetaan, syntyy heiluriliike. Rajoitutaan tarkastelemaan tasossa tapahtuvaa liikettä, jolloin heilurin asema voidaan ilmaista kulmalla Θ, joka osoittaa poikkeaman pystysuorasta suunnasta. In[1]:= Heilurin kuulaan vaikuttaa painovoima mg. Tämä voima yhdessä varren tukivoiman kanssa aiheuttaa tangentiaalisen voiman m g sin Θ heilurin ympyräkaaren muotoiselle liikeradalle. Newtonin toisen lain mukaisesti tämän voiman tasapainottaa heilurin kulmakiihtyvyys L d2 Θ dt 2, jota vastaava voima on m L d2 Θ dt 2. Nämä voimat siis kumoavat toisensa, jolloin saadaan differentiaaliyhtälö m L d2 Θ m g sin Θ 0 2 dt eli d 2 Θ dt 2 k sin Θ 0 k g L. Tämän differentiaaliyhtälön ratkaisu ei ole alkeisfunktio. Jos kulma Θ on pieni, yhtälössä käytetään usein approksimaatiota sin Θ Θ, jolloin alkeisfunktiot tarjoavat approksimatiivisen ratkaisun A cos k t B sin k t. Lasketaan tarkalle heiluriyhtälölle numeerinen ratkaisu ja tarkastellaan kulman Θ aikariippuvuutta. Tämän jälkeen rakennetaan tarkkaan ratkaisuun perustuen animaatio heilurin liikkeelle. Laskujen aluksi on syytä hävittää mahdollisista aiemmista laskuista jääneet muuttujat. Remove "Global` " In[2]:= Out[2]= In[3]:= Out[3]= Heiluria kuvaava toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on helposti ilmaistavissa normaaliryhmänä. ryhma Θ' t Ω t, Ω' t k Sin Θ t Θ t Ω t, Ω t k Sin Θ t Ongelman tuntemattomat funktiot ovat heilurin kulma ja kulmanopeus. tuntemattomat Θ t, Ω t Θ t, Ω t Olkoon k 1. Alkuehdon määrittää tilanne, jossa heiluri on levossa poikkeutettuna yhden radiaanin kulmaan.

2 heiluri1.nb In[4]:= k 1; alkuehto Θ 0 1, Ω 0 0 Out[4]= In[5]:= Out[5]= In[6]:= Out[6]= In[7]:= Θ 0 1, Ω 0 0 Ratkaistaan differentiaaliyhtälö numeerisesti. rtk NDSolve Flatten ryhma, alkuehto, tuntemattomat, t, 0, 15 Θ t InterpolatingFunction 0., 15., t, Ω t InterpolatingFunction 0., 15., t Muokataan ratkaisu käyttökelpoisempaan muotoon. kulmat tuntemattomat. First rtk InterpolatingFunction 0., 15., t, InterpolatingFunction 0., 15., t Piirretään kuvaaja, jossa näemme vihreällä heilurin kulman Θ sekä sinisellä kulmanopeuden d Θ d t Plot Evaluate kulmat, t, 0, 15, PlotStyle Hue.3, Hue.6 1.0 0.5 Out[7]= 2 4 6 8 10 12 14 0.5 In[8]:= 1.0 Heilurin kulma ajan funktiona muistuttaa kosinikäyrää. Tarkasteltu heilurin maksimiheilahduskulma on varsin suuri, jolloin approksimaation sin Θ Θ tarjoama differentiaaliyhtälön ratkaisu (esitetyillä alkuehdoilla) Θ t cos t on huonohko. Kuitenkin modifioimalla ratkaisun taajuutta sopivalla kertoimella, saadaan heilurin värähtelylle varsin hyvä alkeisfunktioapproksimaatio. Alla heilurin paikkaa (vihreä) approksimoidaan funktiolla Θ t cos 0.94 t (punainen katkoviiva). Plot kulmat 1, Cos 0.94 t, t, 0, 15, PlotStyle Green, Thick, Red, Thick, Dashing.02 1.0 0.5 Out[8]= 2 4 6 8 10 12 14 0.5 1.0 Seuraavassa on muodostettu tarvittavat työkalut heilurin värähtelyn animoimiseksi. Värähtelevän heilurin lisäksi kuvassa näkyvät heilurin kuulaan vaikuttavat voimat. Varren tukivoima on punainen ja maan vetovoima sininen, vihreisiin osakomponentteihin jaettuna. Kyseessä on Mathematicalla kirjoitettu ohjelmakoodi.

heiluri1.nb 3 In[9]:= kuula kulma_, varsi_ : GrayLevel 0.3, Disk varsi Sin kulma, varsi Cos kulma, varsi 10, Circle varsi Sin kulma, varsi Cos kulma, varsi 10 ; tanko kulma_, varsi_ : Thickness 0.012, Line 0, 0, 0.9 varsi Sin kulma, 0.9 varsi Cos kulma ; nuolet ku_, va_ : Hue 0.6, Arrow va Sin ku, va Cos ku, va Sin ku, va Cos ku 20, Hue 0.3, Arrow va Sin ku, va Cos ku, va Sin ku 20 Cos ku Sin ku, va Cos ku 20 Cos ku Cos ku, Arrow va Sin ku, va Cos ku, va Sin ku 20 Sin ku Cos ku, va Cos ku 20 Sin ku Sin ku, Hue 0.9, Arrow va Sin ku, va Cos ku, va Sin ku 20 Cos ku Sin ku, va Cos ku 20 Cos ku Cos ku ; kuva theta_, aika_, teksti_ : Module k, v 50, k theta. t aika; grafiikka Graphics GrayLevel 0.7, Rectangle v, 0, v, 6, Line v, 0, v, 0, kuula k, v, tanko k, v, Text Style teksti, 16, Bold, FontFamily "Helvetica", 45, 3, nuolet k, v ; Show grafiikka, PlotRange 65, 65, 70, 10 ; Animaatio: In[12]:= anim Animate kuva kulmat 1, k 67 500, ToString k, k, 0, 99, 1, SaveDefinitions True k 43 Out[12]= In[13]:= Entä mitä heilurille tapahtuu, jos sille annetaan hieman vauhtia? Tarkastellaan ensin tilannetta, jossa alkuehtoon lisätään vauhtia 1.5 rad s. alkuehto2 Θ 0 1, Ω 0 1.5 Out[13]= Θ 0 1, Ω 0 1.5 Numeerinen ratkaisu sievennyksineen. In[14]:= In[15]:= Out[15]= rtk2 NDSolve Flatten ryhma, alkuehto2, tuntemattomat, t, 0, 20 ; kulmat2 tuntemattomat. First rtk2 InterpolatingFunction 0., 20., t, InterpolatingFunction 0., 20., t

4 heiluri1.nb In[16]:= Piirretään jälleen kuvaaja, jossa vihreällä on heilurin kulma Θ sekä sinisellä kulmanopeus Ω. Plot Evaluate kulmat2, t, 0, 15, PlotStyle Hue.3, Hue.6 2 1 Out[16]= 2 4 6 8 10 12 14 1 2 In[17]:= In[18]:= Alkeisfunktioiden tarjoamat ratkaisut eivät enää tunnu enää kovinkaan sopivilta. Animoidaan jälleen heilurin liikettä, jotta nähdään, mitä tapahtuu. Ensin muokataan hieman yllä käytettyä kuvankoodia. kuva2 theta_, aika_, teksti_ : Module k, v 50, k theta. t aika; grafiikka Graphics GrayLevel 0.7, Rectangle v 30, 0, v 30, 12, Line v 30, 0, v 30, 0, kuula k, v, tanko k, v, Text Style teksti, 16, Bold, FontFamily "Helvetica", 70, 6, nuolet k, v ; Show grafiikka, PlotRange 120, 120, 70, 70 ; Animaatiokuvat vievät runsaasti koneen muistia, joten muistin vapauttamiseksi voi olla hyvä poistaa edellinen animaatiokuvasarja ennen uuden laskemista. Tämä tapahtuu napsauttamalla kuvasarjaa oikeassa reunassa yhdistävä hakanen aktiiviseksi (mustaksi) ja painamalla delete. Uusi animaatio. anim2 Animate kuva2 kulmat2 1, k 179 1000, ToString k, k, 0, 99, 1, SaveDefinitions True k Out[18]= 89 Mitä heilurille tapahtuu kun vauhtia annetaan vielä enemmän? Kokeillaan alkuehtoa Ω 0 2.0 rad s lasketaan. ja

heiluri1.nb 5 In[19]:= alkuehto3 Θ 0 1, Ω 0 2.0 Out[19]= In[20]:= In[21]:= Out[21]= In[22]:= Θ 0 1, Ω 0 2. rtk3 NDSolve Flatten ryhma, alkuehto3, tuntemattomat, t, 0, 20 ; kulmat3 tuntemattomat. First rtk3 InterpolatingFunction 0., 20., t, InterpolatingFunction 0., 20., t Ja animointi vielä kerran. anim3 Animate kuva2 kulmat3 1, k 33 200, ToString k, k, 0, 99, 1, SaveDefinitions True k Out[22]= 39 In[23]:= Tarkastellaan seuraavaksi heilurien liikeratoja faasitasossa. Olkoon x-akselina heilurin liikkeen kulma ja y- akselina sen kulmanopeus. Ensimmäinen heiluriliike piirretään vihreällä, toinen sinisellä ja kolmas punaisella. kv1 ParametricPlot kulmat 1, kulmat 2, t, 0, 10, PlotStyle Green ; kv2 ParametricPlot kulmat 1 2 Pi, kulmat 2, t, 0, 10, PlotStyle Green ; kv3 ParametricPlot kulmat2 1, kulmat2 2, t, 0, 10, PlotStyle Blue ; kv4 ParametricPlot kulmat2 1 2 Pi, kulmat2 2, t, 0, 10, PlotStyle Blue ; kv5 ParametricPlot kulmat3 1 4 Pi, kulmat3 2, t, 2.5, 10.5, PlotStyle Red ; kv6 ParametricPlot kulmat3 1 4 Pi, kulmat3 2, t, 2.5, 10.5, PlotStyle Red ; Show kv1, kv2, kv3, kv4, kv5, kv6, AspectRatio Automatic, PlotRange All 2 1 Out[29]= 2 2 4 6 8 1 Tehtäviä 2

6 heiluri1.nb Heiluriliikkeet, jotka eivät tee kokonaisia pyörähdyksiä, muodostavat umpinaisen käyrän. Pyörivä heiluri muodostaa jatkuvan värähtelykäyrän. Mitä näillä faasitasokuvilla kuvataan? Etsi heilurin alkuehtoja muokkaamalla heiluriliike, jossa heiluri juuri ja juuri pyörähtää ympäri. Mikä on lepoasennosta lähdettäessä tarvittava kulmanopeus? Miltä kyseinen liike näyttää faasitasossa? JP & SKK 03.05.2001