弹簧摆matlab代码,应用MATLAB研究弹簧摆的动力学行为

2013年 第 6期 物 理通报 教 育技 术应 用 教育技术应用 应用 M ATLAB研究弹簧摆的动力学行为 蔡 亮 (南京市第十二中学 江苏 南京 210011) (收稿 日期 :2012—12—12) 摘 要 :对 中学物理 中的一种常见模 型 —— 弹簧摆模 型进行 了动力 学行为模拟 ,研究发 现在参数选 择不 同的 情况下 ,系统 表现出了丰富的动 力学行 为. 关键词 :弹簧摆 动力学 Matlab 1 问题 呈现 而 关 于中学 物理中弹簧摆 模型动力学行为 的研 究 ,受到同行的普遍关注.文献[1]中作者从正确建 立 物 理情境 (图像 )的角 度 对两 道 关 于守 恒 问题 的 习题进行 了深入的分析 ,而文献[2]的作者认为文 [1]的作者对例 1的分析与解是值得商榷的.两文争 论 的焦点题 目现呈现 如下 . 【原 题 】如 图 1所 示 ,有 一 劲 度 系 数 为 , 原 长为 Z。的轻 弹 簧 ,一 端 固定 于点 O,另 一端 系 一 质量 为 m 的 物体 .现 将弹簧置于水平位置,并 保持原长,然后无初速度 图1 释放.当物体在竖直平面内摆至最低位置时,弹簧 的 1 伸 长量为原长 的 ,则此 时物体 的动能为多少 ? 对于本题的解题思路文献[2]给出了合理 的解 释,在此不做复述.下面将深入地探讨该类问题情境 下小球 的运动情况到底怎么样. 2 动 力学方 程 建立如 图 1所示 的直角坐标系 ,并对小球进行 受力 分析 ,可 以得到两 个方 向上 的动 力学 方程 ,设 弹 簧原长为 z。, 为形变后的长度. rma ===一 (Z— Zo)cosO ma — mg— K(1一 Z0)sinO 一 8O — fm d2xJc(1lo)手一一船( 一 ) d2y =mgI~(1lo)手一 g 一 (卜 ) 方程两边同时除以质量 m后得到 f d2.27一一 ( 一 )z d Zy = g - ( 一 ) 这是一个二阶微分方程组 ,为便 于进行数值计 算 ,需进行降阶处理 ,可以得到 4个一阶微分方程构 的 微 青 ;I呈鲴 .而 日 县 白 治 的 .加 下 昕 示 dx1 — d—t — dx2 - K o(卜 ) dx3 — d—t — z dx4 = g - ~o(卜 说明:在以下的数值模拟中(Matlab 7.O),我们取 如= 1,g: 9.8,初始条件 321: 1,z2一 O,x3一 O,x4— 0,研究小球的动力学行为随参数 的变化情况(实际 上取不同的弹簧原长,动力学行为也是不一样的). 2013年 第 6期 物理 通报 教 育技 术应 用 3 动 力学 图像 相 空问躅,时间0.5o 主 墓 运 动轨避图,对闻o-5O 4 2 0 _2 -4 运动轨迹 图,时间0。50 相空间图,时间0.50 相空问图,时间0-50 图 2 不 同参 数 K0对 应 的小 球 的运 动 轨 迹 图 及 相 应 空 I司图 分析:图2分别给出的是在KO一1,5,10,2O,30, 性和严谨性. 32六种情况下小球的动力学行为变化 图像 .可 以看 . 。 . . 出,此类问题情境下小球 的动力学行为表现得非常 。 一 复 杂 ,有周 期行 为 、准周 期 行 为 ,也 许 还 可 能 出 现混 本 文从 动力 学 角 度 出 发 ,研 究 了弹簧 摆 的动 力 沌行为 ,这个还需进一步研究 ,要画出分岔图和李雅 学问题.研究表明,在参数选择不同的情况下 ,系统 普诺夫指数变化图 ,才能判断是否具有混沌行为

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