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用高数研究小阻尼弹簧情形

用高数研究小阻尼弹簧情形

作者: CODERLIHAO | 来源:发表于2020-05-26 12:05 被阅读0次
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在同济版高数1中323页有个这样的例题,为了方便,这里只研究小阻尼情况


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设弹簧的弹性系数为C, 根据牛顿第二定律,


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用微方表示就是


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移项后得到


image.png

我们设,为什么是2n,k平方,后面解微分方程就有用了


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最后我们就等得到这样的微分方程
image.png

剩下的就是解微分方程了,2n是常数,k是常数,这样就是常系数齐次线性微分方程
我们只研究小阻尼情况,所以n<k,所以微分方程的根就是一对共轭复数根,看到了吗,为了容易解出方程,设k平方

image.png

这样微分方程的通解就是


image.png

我们知道了通解,但是不知道特解,假设t=0时,x = x0,初始速度为v0,即t趋向0时,x对t的导数是v0,这样求出C1与C2

image.png
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<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <script src="https://unpkg.com/konva@3.1.0/konva.js"></script>
    <title>小阻尼情形弹簧</title>
    <style type="text/css">
        body, html {
            width: 100%;
            height: 100%;
        }

        #container {
            position: relative;
            left: 0;
        }

        .controller {
            position: absolute;
            top: 20px;
            left: 20px;
        }

        input {
            width: 300px;
            display: block;
            margin: 20px 0;
        }
    </style>
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<div id="container"></div>
<div class="controller">
    弹性系数<input type="range" name="弹性系数" min="0.01" max="1" value="0.08" step="0.05"
               onchange="onSpringFactorChange(this.value)"/>
    方块质量<input type="range" name="方块质量" min="1" max="10" value="1" step="1" onchange="onRectFactorChange(this.value)"/>
    阻尼系数<input type="range" name="阻尼系数" min="0.1" max="0.5" value="0.1" step="0.05"
               onchange="onDampingFactorChange(this.value)"/>
</div>


<script type="application/javascript">


    const stage = new Konva.Stage({
        container: 'container',
        width: window.innerWidth,
        height: window.innerHeight
    });
    const layer = new Konva.Layer();
    layer.hitOnDragEnabled = false;
    stage.add(layer);
    const ctx = layer.getContext();

    const count = 20;
    const isCurve = true;
    const handleLength = 50;
    const originLength = 200;
    let length = originLength;
    const amplitude = 100;
    const rotate = Math.PI / 2;


    const rectWidth = 100;
    const rectHeight = 100;
    const x = layer.width() / 2;
    const y = 0;
    let rectCenterX = length;
    let rectCenterY = y;

    let c = 0.08; //弹性系数
    let damping = 0.1;
    let mass = 1; //方块的质量
    let x0 = mass * 9.8 / c;//平衡位置

    //分析小阻尼情形n < k
    // u < Math.sqrt(4 * c* mass);
    // const u = 0.01;//阻尼系数
    let u = Math.sqrt(4 * c * mass) * damping;
    let n = u / 2 / mass;
    let w = Math.sqrt(c / mass - n * n);

    function reset() {
        x0 = mass * 9.8 / c;//平衡位置
        u = Math.sqrt(4 * c * mass) * damping;
        n = u / 2 / mass;
        w = Math.sqrt(c / mass - n * n);
        if (handler !== 0) {
            cancelAnimationFrame(handler);
        }
        frame = 0;
        handler = window.requestAnimationFrame(draw.bind(this));
    }

    function onSpringFactorChange(value) {
        c = value;
        reset();
    }


    function onRectFactorChange(value) {
        mass = value;
        reset();
    }


    function onDampingFactorChange(value) {
        damping = value;
        reset();
    }

    let frame = 0;

    let handler = 0;

    function draw() {
        if (frame === 0) {
            frame = Date.now();
            handler = window.requestAnimationFrame(draw.bind(this));
            return;
        }
        const t = (Date.now() - frame) / 100;

        //小阻尼情形
        length = originLength + x0 + Math.pow(Math.E, -n * t) * (x0 * Math.cos(w * t) + n * x0 / w * Math.sin(w * t));
        rectCenterX = length;
        ctx.clear();
        ctx.save();
        ctx.translate(x, y);
        ctx.rotate(rotate);
        ctx.setAttr('strokeStyle', '#f00');
        ctx.setAttr('lineWidth', 4);
        ctx.setAttr('lineJoin', 'round');
        ctx.beginPath();
        ctx.moveTo(0, 0);
        ctx.lineTo(handleLength, 0);
        const d = (length - 2 * handleLength) / count;
        for (let i = 0; i < count; i++) {
            const dir = (i & 1) === 0 ? 1 : -1;
            if (isCurve) {
                ctx.quadraticCurveTo(handleLength + d / 2 + d * i, amplitude * dir, handleLength + d * (i + 1), 0);
            } else {
                ctx.lineTo(handleLength + d * (i + 0.5), amplitude * dir);
                ctx.lineTo(handleLength + d * (i + 1), 0);
            }
        }
        ctx.lineTo(length, 0);
        ctx.stroke();
        drawRect(rectCenterX, rectCenterY);
        ctx.restore();
        handler = window.requestAnimationFrame(draw.bind(this));
    }

    function drawRect(x, y) {
        ctx.fillStyle = '#987234';
        ctx.beginPath();
        ctx.rect(x, y - rectHeight / 2, rectWidth, rectHeight);
        ctx.fill();
    }

    reset();
</script>
</body>
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