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分析力学 第7次作业

Chasse_neige

4.8 单摆振动方程为 θ¨+glsinθ=0, 若振动角度不太大, 利用微扰近似方法给出二阶精度的近似解, 包括周期的二阶精度修正。

展开

sinθ=θ16θ3+o(θ5)

假设

θ=θ0+ϵθ1+ϵ2θ2

ω0=gl

ω=ω0+ϵω1+ϵ2ω2θ¨=ω02θ+ϵ2ω026θ3θ¨+ω2θ=(ω2ω02)θ+ϵ2ω026θ3

作代换 τ=ωt+ϕ,得到

θ+θ=(1ω02ω2)θ+ϵ2ω026ω2θ3

分离得到

θ0+θ0=0θ1+θ1=2ω1ω0θ0θ2+θ2=(2ω2ω03(ω1ω0)2)θ0+2ω1ω0θ1+16θ03

解得0阶解

θ0(t)=Acos(τ)

所以1阶方程为

θ1+θ1=2Aω1ω0cosτ

采用拉普拉斯变换,舍弃初值相关项

p2L[θ1]+L[θ1]=L[2Aω1ω0cosτ]

所以

θ1(t)=L1[1p2+1L[2Aω1ω0cosτ]]=0τ2Aω1ω0cos(ττ)sinτdτ=Aω1ω0τsinτ

为了消除非物理项,得到

ω1=0

所以

θ1(t)=0

不存在1阶项。对于2阶

θ2+θ2=2Aω2ω0cosτ+A36cos3τ

所以

θ2(t)=L1[1p2+1L[2Aω2ω0cosτ+A36cos3τ]]=0τ2Aω2ω0cos(ττ)sinτ+A36cos3(ττ)sinτdτ=Aω2ω0τsinτ+A3192(12τsinτ+cosτcos3τ)

消去非物理项,得到

ω2=A216ω0

得到结论

θ(t)=Acosτ+A3192(cosτcos3τ)ω=ω0(1A216)

4.13 二氧化碳分子经典模型如图 4.15 所示,平衡时原子在一直线上。只考虑原子在直线上运动的模式,求分子的简正频率和简正振动模式。

image-20251104165523589

直接给出相对于平衡位置的坐标运动方程

x¨1=km(x2x1)x¨2=kM(x1+x32x2)x¨3=km(x2x3)

ω12=km,ω22=kM,得到系数矩阵

(ω12ω120ω222ω22ω220ω12ω12)

对角化

A=(111102ω22ω12111)(0000ω12000ω122ω22)12(2ω22+ω12)(2ω222ω122ω222ω22+ω120(2ω22+ω12)ω122ω12ω12)

得到两个振动模式的频率和简正坐标为(特征值0对应了平动)

ω=ω1=kmx=x1x3ω=ω12+2ω22=km+2kMx=x1+2x2x3

4.15 一耦合摆作小振动,如图 4.17所示,两个小球质量都是 m,系在长度都是 l 的轻杆,小球之间用劲度系数为 k 的弹簧相连,弹簧的自然长度与两个悬点 O,O 之间的距离相同,系统限于两个轻杆自然下垂的铅直平面内运动。两球初始静止,一球在平衡位置,另一球则拉到 θ2=α,求解系统。

image-20251104165552635

首先写出运动方程

(θ¨1θ¨2)=(glkmkmkmglkm)(θ1θ2)

ω12=km,ω22=gl+km,系数矩阵化为

(ω22ω12ω12ω22)

所以

(ω22ω12ω12ω22)=(12121212)(ω12ω2200ω12ω22)(12121212)

得到

(θ¨1θ¨2)=(12121212)(ω12ω2200ω12ω22)(12121212)(θ1θ2)

重新定义坐标

q1=12(θ1+θ2)q2=12(θ1θ2)

所以

(q¨1q¨2)=(ω12ω2200ω12ω22)(q1q2)

结合初始条件

q1(0)=α2q2(0)=α2q˙1(0)=q˙2(0)=0

所以

q1(t)=α2cos(ω12+ω22t)q2(t)=α2cos(ω12+ω22t)

得到

θ1(t)=α2(cos(glt)cos(gl+2kmt))θ2(t)=α2(cos(glt)+cos(gl+2kmt))

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