<h3>一、系统建模与参数定义</h3>
! m1 K! g( B3 @8 y0 k<p>考虑由两根无质量刚性杆组成的平面双摆:</p>: x! W1 {- h/ q
<p><img src="data/attachment/forum/202510/15/132701hq25xg4z6g642q4j.webp" alt="R-C1.webp" title="R-C (1).webp" /><img src="data/attachment/forum/202510/15/132702dyqtwgyjtzpgjj03.webp" alt="5f27f23469c44620b5382accb18380e6.webp" title="5f27f23469c44620b5382accb18380e6.webp" /></p>
1 t$ K) K7 q0 u; v' t9 X<p><img src="data/attachment/forum/202510/15/132702ztshdfhpfjs9tfcf.webp" alt="7d1bb93fb06e59b99a1b157c8599b6be.webp" title="7d1bb93fb06e59b99a1b157c8599b6be.webp" /></p>
2 M% q, ~! W* O, _4 X. n$ T<div class="language-math">上端杆长\\(L_1\\),下端连接质量\\(m_1\\)的小球</div>
8 b/ {( r h! U6 ~0 ]<div class="language-math">下端杆长\\(L_2\\),末端连接质量\\(m_2\\)的小球</div>4 m4 H" W8 m7 U/ |! x# j8 H
<div class="language-math">两杆与竖直方向夹角分别为\\(\theta_1\\)、\\(\theta_2\\)(广义坐标,2 个自由度)</div>
% F/ D6 [5 N) Z* V4 N+ U<div class="language-math">重力加速度为\\(g),系统无摩擦约束</div>, u, E: W! J7 g. i4 j3 B( o+ X
<h3>二、拉格朗日量构建(L=T-V)</h3>
- U% |$ u0 A5 r9 J<h4>1. 动能计算(平动动能总和)</h4>8 n8 ? W4 {/ Y% [! f, a
<p>通过坐标变换将小球位置表示为广义坐标的函数:</p>
& {& N a- C" m/ w: h% m% t, ~' @<pre><code>x₁ = L₁sinθ₁, y₁ = -L₁cosθ₁
( C! c& S7 |, L+ Ex₂ = L₁sinθ₁+L₂sinθ₂, y₂ = -L₁cosθ₁-L₂cosθ₂) o5 k6 W/ W* {/ ]
</code></pre>; h) v1 |* `( ~% g% k1 T( T/ v! S
<p>对时间求导得速度分量,动能为:</p>. p/ ~* P0 u. e ~7 P
<div class="language-math">(T = \frac{1}{2}m_1(\dot{x}_1^2+\dot{y}_1^2) + \frac{1}{2}m_2(\dot{x}_2^2+\dot{y}_2^2))</div>
; I0 h! z! @' U$ W<p>化简后:</p>) Y# C5 p8 d, {9 s
<div class="language-math">(T = \frac{1}{2}(m_1+m_2)L_1^2\dot{\theta}_1^2 + \frac{1}{2}m_2L_2^2\dot{\theta}_2^2 + m_2L_1L_2\dot{\theta}_1\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2))</div>
- f& B/ M0 K" f" I6 Z+ X7 R<h4>2. 势能计算(重力势能总和)</h4>
/ E1 x) y/ G' E! s* e<p>以悬挂点为势能零点:</p>' K! e) U3 N$ a* e4 Y/ p$ m
<div class="language-math">(V = m_1gL_1(1-\cos\theta_1) + m_2g[L_1(1-\cos\theta_1)+L_2(1-\cos\theta_2)])</div>
0 a+ z, w# G0 Y6 S<h4>3. 拉格朗日量确立</h4>* y/ Y# R8 i1 L! A* |
<div class="language-math">(L = T - V = \left[ \frac{1}{2}(m_1+m\_2)L_1^2\dot{\theta}_1^2 + \frac{1}{2}m_2L_2^2\dot{\theta}_2^2 + m_2L_1L_2\dot{\theta}\_1\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2) \right]</div>
: i7 t1 {9 C: T<div class="language-math">- \left[ (m_1+m_2)gL_1(1-\cos\theta_1) + m_2gL_2(1-\cos\theta_2) \right])</div>
. I/ M% |9 L+ h5 @* _<h3>三、欧拉 - 拉格朗日方程求解</h3>
; ]& v4 {1 {' b7 v" g1 j<p>对两个广义坐标分别应用方程:</p>
+ i# S) }4 _1 i$ {7 y: r7 G<div class="language-math">(\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{\theta}_i}\right) - \frac{\partial L}{\partial \theta_i} = 0\\)</div>
0 I5 u: I3 l8 L5 c8 J0 v<h4>1. 关于θ1的方程</h4>
! A1 ~5 B& e& A<ul>
" R0 h. H- M& o' Z4 s) W0 D$ m<li>计算偏导数:</li>
' `% E+ u4 l; b7 g+ G) u: ^</ul>+ o0 m5 ?9 l2 V( |: j9 d2 a* ]
<div class="language-math">(\frac{\partial L}{\partial \dot{\theta}\_1} = (m_1+m_2)L_1^2\dot{\theta}_1 + m_2L_1L_2\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2)\\)</div>! o5 s4 q* b% J* U( Z. c' ]
<div class="language-math">\\(\frac{\partial L}{\partial \theta_1} = -m_2L_1L_2\dot{\theta}_1\dot{\theta}_2\sin(\theta_1-\theta_2) - (m_1+m_2)gL_1\sin\theta_1\\)</div>
& ~3 a$ K& I2 D) u( \<ul> \) m/ ~: ^! C6 N
<li>时间导数与整理后得:</li>
3 P. o2 K* `2 e. b4 o; ~</ul># [+ [; a4 y3 }' r* h' `2 S; [
<div class="language-math">\\((m_1+m_2)L_1\ddot{\theta}_1 + m_2L_2\cos(\theta_1-\theta_2)\ddot{\theta}_2 + m_2L_2\sin(\theta_1-\\theta\_2)\dot{\theta}_2^2 + (m_1+m_2)g\sin\theta_1 = 0 \quad (1))</div>
/ N( q& U5 Q) A$ G* E' ^- \<h4>2. 关于θ2的方程</h4>4 M& b) k2 ^9 c
<p>同理推导得:</p>
% c$ {& h, w, X* M7 }<div class="language-math">(L_2\ddot{\theta}_2 + L_1\cos(\theta_1-\theta_2)\ddot{\theta}_1 - L_1\sin(\theta_1-\theta_2)\dot{\theta}_1^2 + g\sin\theta_2 = 0 \quad (2)\\)</div>! S$ S2 Q$ v. z3 {! ` `
<h3>四、物理意义与拓展</h3>
( o: X" T6 m% G* Q* Y) i- v# f<ol>
; A7 J4 t) {2 a/ ~<li><strong>非线性特性</strong>:</li> m/ W8 {2 Q" a
<li>9 E9 O S, O3 ~( O% D
<div class="language-math">方程 (1)(2) 含\\(\sin(\theta_1-\theta_2)\\)等非线性项,大摆角时表现混沌行为(对初始条件极度敏感)</div>
) V+ P7 ?, C' ]</li>( H* O# A+ |0 h4 R2 _0 x
<li><strong>简化特例</strong>:</li>
3 f$ {/ P! P. J8 Z<li>
+ D/ s: Q l0 |$ }7 ?$ Z( u: s<div class="language-math">当\\(m_2=0\\)时退化为单摆方程\\(L_1\ddot{\theta}_1 + g\sin\theta_1=0\\)</div>
; E6 D. w2 F4 t7 g- H</li>
* z. c7 B4 o4 I& V+ {% `<li><strong>工程关联</strong>:弹性双摆模型(杆具弹性形变)可用于柔性机械臂、仿生运动研究</li>/ ^/ G/ f. q# S6 c5 I; ^: D
<li><strong>数值验证</strong>:通过 Python 的odeint函数求解微分方程,可绘制动图展示轨迹演化</li>$ P8 P# }' \" c/ k1 R
</ol>
: x( d! L* M* N |
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本文《拉格朗日力学--经典双摆的案例》由: digger 发表于 2025-10-15 13:27
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