振り子 (5回目)

2024/1/6(土)
振り子 (5回目)
 
二重振り子(Double pendulum)
 
微分方程式の導出
 
■ 前提
▼ 定義
ℓi :紐の長さ(m)
mi :質点の質量(kg)
θi:鉛直下方向からの角度(rad)
g  :重力加速度
xi :支点からの右方向の変位(m)
yi :支点からの下方向の変位(m)
 
▼ 連立微分方程式
(m1 + m2)ℓ 1θ(・・)1 
+ m2ℓ2{θ(・・)2cos(θ1 - θ2) + θ(・)22sin(θ1 - θ2)}
= -(m1 + m2)gsinθ1  … ①
 
ℓ2θ(・・)2 + ℓ1{θ(・・)1cos(θ1 - θ2) - θ(・)12sin(θ1 - θ2)}
= -gsinθ2  … ②
 
 
■ 導出
▼ 加速度ℓ1θ(・・)1 
①式より
(m1 + m2)ℓ 1θ(・・)1 + m2ℓ2θ(・・)2cos(θ1 - θ2)
+ m2ℓ2θ(・)22sin(θ1 - θ2) + (m1 + m2)gsinθ1 = 0
 
 
②式×m2cos(θ1 - θ2)より
m2ℓ2θ(・・)2cos(θ1 - θ2) + m2ℓ1θ(・・)1cos2(θ1 - θ2)
- m2ℓ1θ(・)12sin(θ1 - θ2)cos(θ1 - θ2)
+ m2gsinθ2cos(θ1 - θ2) = 0
 
差をとると
(m1 + m2)ℓ 1θ(・・)1 + m2ℓ2θ(・・)2cos(θ1 - θ2)
+ m2ℓ2θ(・)22sin(θ1 - θ2) + (m1 + m2)gsinθ1 
- m2ℓ2θ(・・)2cos(θ1 - θ2) - m2ℓ1θ(・・)1cos2(θ1 - θ2)
+ m2ℓ1θ(・)12sin(θ1 - θ2)cos(θ1 - θ2)
- m2gsinθ2cos(θ1 - θ2)
 
= {m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ 1θ(・・)1 
- {m2sinθ2cos(θ1 - θ2) - (m1 + m2)sinθ1}g
+ {ℓ2θ(・)22 + ℓ1θ(・)12cos(θ1 - θ2)}m2sin(θ1 - θ2) = 0
 
整理して
{m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ 1θ(・・)1 
= {m2sinθ2cos(θ1 - θ2) - (m1 + m2)sinθ1}g
- {ℓ2θ(・)22ℓ1 + ℓ1θ(・)12cos(θ1 - θ2)}m2sin(θ1 - θ2)
 
 
▼ 加速度ℓ2θ(・・)2 
①式×cos(θ1 - θ2)より
(m1 + m2)ℓ 1θ(・・)1cos(θ1 - θ2) + m2ℓ2θ(・・)2cos2(θ1 - θ2)
+ m2ℓ2θ(・)22sin(θ1 - θ2)cos(θ1 - θ2)
+ (m1 + m2)gsinθ1cos(θ1 - θ2) = 0
 
②式×(m1 + m2)より
(m1 + m2)ℓ2θ(・・)2 + (m1 + m2)ℓ1θ(・・)1cos(θ1 - θ2)
- (m1 + m2)ℓ1θ(・)12sin(θ1 - θ2) + (m1 + m2)gsinθ2 = 0
 
差をとると
(m1 + m2)ℓ 1θ(・・)1cos(θ1 - θ2) + m2ℓ2θ(・・)2cos2(θ1 - θ2)
+ m2ℓ2θ(・)22sin(θ1 - θ2)cos(θ1 - θ2)
+ (m1 + m2)gsinθ1cos(θ1 - θ2)
- (m1 + m2)ℓ2θ(・・)2 - (m1 + m2)ℓ1θ(・・)1cos(θ1 - θ2)
+ (m1 + m2)ℓ1θ(・)12sin(θ1 - θ2) - (m1 + m2)gsinθ2 
 
= -{m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ2θ(・・)2 
+ {sinθ1cos(θ1 - θ2) - sinθ2}(m1 + m2)g
+ {(m1 + m2)ℓ1θ(・)12 + m2ℓ2θ(・)22cos(θ1 - θ2)}sin(θ1 - θ2) = 0
 
整理して
{m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ2θ(・・)2 
= {sinθ1cos(θ1 - θ2) - sinθ2}(m1 + m2)g
+ {(m1 + m2)ℓ1θ(・)12 + m2ℓ2θ(・)22cos(θ1 - θ2)}sin(θ1 - θ2)
 
 
■ 結果
▼ 定義
ℓi :紐の長さ(m)
mi :質点の質量(kg)
θi:鉛直下方向からの角度(rad)
g  :重力加速度
xi :支点からの右方向の変位(m)
yi :支点からの下方向の変位(m)
 
▼ 微分方程式
{m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ 1θ(・・)1 
= {m2sinθ2cos(θ1 - θ2) - (m1 + m2)sinθ1}g
- {ℓ2θ(・)22ℓ1 + ℓ1θ(・)12cos(θ1 - θ2)}m2sin(θ1 - θ2)
 
{m1 + m2 - m2cos2(θ1 - θ2)}ℓ2θ(・・)2 
= {sinθ1cos(θ1 - θ2) - sinθ2}(m1 + m2)g
+ {(m1 + m2)ℓ1θ(・)12 + m2ℓ2θ(・)22cos(θ1 - θ2)}sin(θ1 - θ2)
 

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