Kyvný stroj Atwoods - Swinging Atwoods machine - Wikipedia
The houpající se Atwoodovým strojem (SAM) je mechanismus, který se podobá jednoduchému Atwoodův stroj kromě toho, že jedné z hmot je dovoleno houpat se v dvourozměrné rovině a vytvářet dynamický systém to je chaotický pro některé parametry systému a počáteční podmínky.
Konkrétně obsahuje dvě hmoty (kyvadlo, hmotnost a protizávaží, hmotnost ) propojený pomocí neroztažitelné, bezhmotná struna zavěšená na dvou bez tření kladky nulového poloměru tak, aby se kyvadlo mohlo volně otáčet kolem své kladky, aniž by narazilo do protizávaží.[1]
Konvenční stroj Atwood umožňuje pouze „uprchlá“ řešení (tj. buď kyvadlo, nebo protizávaží nakonec narazí na jeho kladku), kromě . Houpající se Atwoodův stroj však byl má velký prostor parametrů stavů, které vedou k různým pohybům, které lze klasifikovat jako ukončující nebo nekončící, periodické, kvaziperiodické nebo chaotické, omezené nebo neomezené, singulární nebo nesingulární[1][2] kvůli kyvadlu jalová odstředivá síla vyvažování hmotnosti protizávaží.[1] Výzkum SAM byl zahájen jako součást diplomové práce z roku 1982 s názvem Úsměvy a slzy (s odkazem na tvar některých trajektorií systému) o Nicholas Tufillaro na Reed College, režie David J. Griffiths.[3]
Pohybové rovnice
Kyvný stroj Atwood je systém se dvěma stupni volnosti. Můžeme odvodit jeho pohybové rovnice pomocí obou Hamiltoniánská mechanika nebo Lagrangian mechanika. Nechte houpat hmotu a nekývající se hmota . Kinetická energie systému, , je:
kde je vzdálenost kyvné hmoty od jejího čepu a je úhel kyvné hmoty vzhledem k přímému směřování dolů. Potenciální energie je výhradně kvůli gravitační zrychlení:
Můžeme pak zapsat lagrangické, a Hamiltonian, systému:
Potom můžeme Hamiltonián vyjádřit kanonickým momentem, , :
Lagrangeovu analýzu lze použít k získání dvou spojených obyčejných diferenciálních rovnic druhého řádu v a . Nejprve rovnice:
A rovnice:
Rovnice zjednodušujeme definováním hmotnostního poměru . Výše uvedené se pak stává:
Hamiltoniánskou analýzu lze také použít k určení čtyř ODR prvního řádu z hlediska , a jejich odpovídající kanonické momenty a :
Všimněte si, že v obou těchto derivacích, pokud jeden nastaví a úhlová rychlost na nulu, výsledný speciální případ je pravidelné nekývání Stroj Atwood:
Kyvný Atwoodův stroj má čtyřrozměrný fázový prostor definován , a jejich odpovídající kanonické momenty a . Kvůli zachování energie je však fázový prostor omezen do tří dimenzí.
Systém s masivními kladkami
Pokud jsou kladky v systému považovány za moment setrvačnosti a poloměr , Hamiltonián SAM je pak:[4]
Kde Mt je efektivní celková hmotnost systému,
To se snižuje na výše uvedenou verzi, když a stát se nula. Pohybové rovnice jsou nyní:[4]
kde .
Integrovatelnost
Hamiltonovské systémy lze klasifikovat jako integrovatelný a nezačlenitelné. SAM je integrovatelný, když je hmotnostní poměr .[5] Systém také vypadá docela pravidelně , ale případ je jediný známý integrovatelný hmotnostní poměr. Ukázalo se, že systém není integrovatelný pro .[6] U mnoha dalších hodnot hmotnostního poměru (a počátečních podmínek) se zobrazí SAM chaotický pohyb.
Numerické studie naznačují, že když je oběžná dráha singulární (počáteční podmínky: ), kyvadlo provede jedinou symetrickou smyčku a vrátí se k počátku bez ohledu na hodnotu . Když je malá (téměř svislá), trajektorie popisuje „slzu“, když je velká, popisuje „srdce“. Tyto trajektorie lze přesně vyřešit algebraicky, což je u systému s nelineárním hamiltoniánem neobvyklé.[7]
Trajektorie
Houpající se hmota houpajícího se Atwoodova stroje prochází zajímavými trajektoriemi nebo oběžnými drahami, když jsou vystaveny různým počátečním podmínkám a různým hmotnostním poměrům. Patří mezi ně periodické dráhy a kolize dráhy.
Nesmyslné dráhy
Za určitých podmínek systém vykazuje komplexní harmonický pohyb.[1] Dráha se nazývá nesmyslná, pokud se houpající se hmota nedotkne kladky.
- Výběr nesingulárních oběžných drah
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Periodické dráhy
Když jsou různé harmonické složky v systému ve fázi, je výsledná trajektorie jednoduchá a periodická, například trajektorie „úsměvu“, která se podobá běžné kyvadlo a různé smyčky.[3][8] Periodická oběžná dráha obecně existuje, pokud je splněno následující:[1]
Nejjednodušším případem periodických oběžných drah je oběžná dráha „úsměvu“, kterou Tufillaro nazval Typ A obíhá ve svém příspěvku z roku 1984.[1]
- Výběr periodických drah
„Úsměvová“ dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Singulární oběžné dráhy
Pohyb je singulární, pokud v určitém bodě prochází houpající se hmota počátkem. Protože systém je neměnný pod časovým převrácením a překladem se dá říci, že kyvadlo začíná u počátku a je odpalováno směrem ven:[1]
Oblast v blízkosti čepu je singulární, protože je blízko k nule a pohybové rovnice vyžadují dělení . Proto je nutné k důkladné analýze těchto případů použít speciální techniky.[9]
Následuje graf libovolně vybraných singulárních drah.
- Výběr singulárních drah
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Dráha houpajícího se Atwoodova stroje pro , a nulová počáteční rychlost.
Kolize na oběžné dráze
Kolize (nebo ukončení singulárních) oběžných drah jsou podmnožinou singulárních oběžných drah vytvořených, když je houpající se hmota vysunuta z otočného čepu počáteční rychlostí, takže se vrací do otočného čepu (tj. Koliduje s otočným čepem):
Nejjednodušším případem kolizních drah jsou ty s hmotnostním poměrem 3, které se po vysunutí z počátku vždy vrátí symetricky k počátku a byly pojmenovány Typ B oběžné dráhy v původním příspěvku Tufillaro.[1] Oni byli také odkazoval se na jako slza, srdce nebo králičí ucho oběžné dráhy kvůli jejich vzhledu.[3][7][8][9]
Když se houpající se hmota vrátí do počátku, hmota protizávaží, musí okamžitě změnit směr, což způsobí nekonečné napětí ve spojovacím řetězci. Můžeme tedy uvažovat, že pohyb je v tuto chvíli ukončen.[1]
Ohraničenost
U jakékoli počáteční polohy je možné ukázat, že kývavá hmota je ohraničena křivkou, která je a kuželovitý řez.[2] Otočný čep je vždy a soustředit se této ohraničující křivky. Rovnici pro tuto křivku lze odvodit analýzou energie systému a použitím úspory energie. Předpokládejme to se uvolní z klidu v a . Celková energie systému je tedy:
Všimněte si však, že v hraničním případě je rychlost kmitající hmoty nulová.[2] Proto máme:
Abychom zjistili, že jde o rovnici kuželosečky, izolováme pro :
Všimněte si, že čitatel je v tomto případě konstanta závislá pouze na počáteční poloze, protože jsme předpokládali, že počáteční podmínka je v klidu. Energetická konstanta lze také vypočítat pro nenulovou počáteční rychlost a rovnice stále platí ve všech případech.[2] The excentricita kuželosečky je . Pro , toto je elipsa, a systém je ohraničený a houpající se hmota vždy zůstává uvnitř elipsy. Pro , je to parabola a pro je to hyperbola; v žádném z těchto případů není omezený. Tak jako libovolně zvětší, ohraničující křivka se přiblíží kružnici. Oblast ohraničená křivkou je známá jako oblast Hill.[2]
Nedávné trojrozměrné rozšíření
V roce 2016 bylo oznámeno nové integrovatelné řešení problému trojrozměrného stroje Swinging Atwood Machine (3D-SAM).[10] Stejně jako 2D verze je problém integrovatelný, když .
Reference
- ^ A b C d E F G h i Tufillaro, Nicholas B .; Abbott, Tyler A .; Griffiths, David J. (1984). "Swinging Atwood's Machine". American Journal of Physics. 52 (10): 895–903. Bibcode:1984AmJPh..52..895T. doi:10.1119/1.13791.
- ^ A b C d E Tufillaro, Nicholas B .; Nunes, A .; Casasayas, J. (1988). „Neomezené oběžné dráhy kyvného Atwoodova stroje“. American Journal of Physics. 56: 1117. Bibcode:1988AmJPh..56.1117T. doi:10.1119/1.15774.
- ^ A b C Tufillaro, Nicholas B. (1982). Úsměvy a slzy (Teze). Reed College.
- ^ A b Pujol, Olivier; Perez, J.P .; Simo, C .; Simon, S .; Weil, J.A. (2010). „Swinging Atwood's Machine: Experimentální a numerické výsledky a teoretická studie“. Physica D. 239 (12): 1067–1081. arXiv:0912.5168. Bibcode:2010PhyD..239.1067P. doi:10.1016 / j.physd.2010.02.017.
- ^ Tufillaro, Nicholas B. (1986). „Integrable motion of a swing Atwood's machine“. American Journal of Physics. 54 (2): 142. Bibcode:1986AmJPh..54..142T. doi:10.1119/1.14710.
- ^ Casasayas, J .; Nunes, A .; Tufillaro, N. (1990). „Swinging Atwood's Machine: integrability and dynamics“. Journal de Physique. 51 (16): 1693–1702. doi:10.1051 / jphys: 0199000510160169300. ISSN 0302-0738.
- ^ A b Tufillaro, Nicholas B. (1994). "Slza a srdce obíhají na houpajícím se stroji Atwoods,". American Journal of Physics. 62 (3): 231–233. arXiv:chao-dyn / 9302006. Bibcode:1994AmJPh..62..231T. doi:10.1119/1.17602.
- ^ A b Tufillaro, Nicholas B. (1985). „Pohyby kyvného Atwoodova stroje“. Journal de Physique. 46 (9): 1495–1500. doi:10.1051 / jphys: 019850046090149500.
- ^ A b Tufillaro, Nicholas B. (1985). „Kolize na orbitě houpajícího se Atwoodova stroje“ (PDF). Journal de Physique. 46: 2053–2056. doi:10.1051 / jphys: 0198500460120205300.
- ^ Elmandouh, A.A. (2016). „O integrovatelnosti pohybu stroje 3D Swinging Atwood a souvisejících problémech“. Fyzikální písmena A. 380: 989. Bibcode:2016PhLA..380..989E. doi:10.1016 / j.physleta.2016.01.021.
Další čtení
- Almeida, M.A., Moreira, I.C. a Santos, FC (1998) „Ziglin-Yoshidova analýza pro některé třídy homogenních hamiltonovských systémů“, Brazilian Journal of Physics Vol.28 n.4 São Paulo Dec.
- Barrera, Emmanuel Jan (2003) Dynamika stroje Doublewood Swing Atwood, B.S. Diplomová práce, Národní fyzikální ústav, Filipínská univerzita.
- Babelon, O, M. Talon, MC Peyranere (2010), „Kowalevského analýza kyvného Atwoodova stroje,“ Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical Sv. 43 (8).
- Bruhn, B. (1987) „Chaos a pořádek ve slabě spřažených systémech nelineárních oscilátorů,“ Physica Scripta Vol.35 (1).
- Casasayas, J., N. B. Tufillaro a A. Nunes (1989) „Infinity manifold of a swing Atwood's machine,“ European Journal of Physics Vol.10 (10), str. 173.
- Casasayas, J, A. Nunes a N. B. Tufillaro (1990) „Swinging Atwood's machine: integrability and dynamics,“ Journal de Physique Vol.51, str. 1693.
- Chowdhury, A. Roy a M. Debnath (1988) „Swinging Atwood Machine. Far- and near-rezonance region“, International Journal of Theoretical Physics, Sv. 27 (11), p1405-1410.
- Griffiths D. J. a T. A. Abbott (1992) „Komentář k„ „Překvapující ukázka mechaniky“, „“ American Journal of Physics Vol.60 (10), p951-953.
- Moreira, I.C. a M.A. Almeida (1991) „Noetherovy symetrie a stroj Swinging Atwood“, Journal of Physics II Francie 1, p711-715.
- Nunes, A., J. Casasayas a N. B. Tufillaro (1995) „Periodické dráhy integrovatelného kyvného Atwoodova stroje,“ American Journal of Physics Vol.63 (2), p121-126.
- Ouazzani-T.H., A. a Ouzzani-Jamil, M., (1995) „Bifurkace Liouville tori integrovatelného případu houpání Atwoodova stroje,“ Il Nuovo Cimento B Sv. 110 (9).
- Olivier, Pujol, JP Perez, JP Ramis, C. Simo, S. Simon, JA Weil (2010), „Swinging Atwood's Machine: Experimentální a numerické výsledky a teoretická studie“ Physica D 239, s. 1067–1081.
- Sears, R. (1995) „Komentář k„ Překvapivé ukázce mechaniky “ American Journal of Physics, Sv. 63 (9), p854-855.
- Yehia, H.M., (2006) „O integrovatelnosti pohybu těžkých částic na nakloněném kuželu a výkyvném stroji Atwood“, Výzkum komunikace mechaniky Sv. 33 (5), p711–716.
externí odkazy
- Příklad použití v pregraduálním výzkumu: symplektičtí integrátoři
- Kurz Imperial College
- Oscilaciones en la máquina de Atwood
- „Úsměvy a slzy“ (1982)
- Workshop 2007
- 2010 Videa experimentálního stroje Swinging Atwood's Machine
- Aktualizace stroje Swinging Atwood na schůzi APS 2010, 8:24, pátek 19. března 2010, Portland, OR
- Interaktivní webová aplikace Swinging Atwood's Machine
- Otevřený zdrojový kód Java pro spuštění Swinging Atwood's Machine