Answer for HW8

1 双摆

1.1 (1)

选取系统为 m1m2 ,它有两个自由度,选取广义坐标为 φ1φ2 。有质点 m1m2 的坐标分别为 (l1sinφ1,l1cosφ1),(l1sinφ1+l2sinφ2,l1cosφ1+l2cosφ2) 。由此可得 m1 的动能为

T1=12m1l12φ˙12

m2 的动能为

T2=12m2[l12φ˙12+l22φ˙22+2l1l2φ˙1φ˙2cos(φ1φ2)]12m2(l12φ˙12+l22φ˙22+2l1l2φ˙1φ˙2)T=T1+T2=12(m1+m2)l12φ˙12+12m2l22φ˙22+m2l1l2φ˙1φ˙2

于是 T 的惯性系数矩阵 M 为,

M=((m1+m2)l12m2l1l2m2l1l2m2l22)

系统的势能为

U=m1gl1cosφ1m2g(l1cosφ1+l2cosφ2)12(m1+m2)gl1φ12+12m2gl2φ22(m1gl1+m2gl1+m2gl2)

于是 U 的刚性系数矩阵 U

U=((m1+m2)gl100m2gl2)

拉格朗日函数为

L=12(m1+m2)l12φ˙12+12m2l22φ˙22+m2l1l2φ˙1φ˙212(m1+m2)gl1φ1212m2gl2φ22

其中略去了势能中对运动无影响的常数项.

1.2 (2)

L 代入拉格朗日方程得系统的运动微分方程为

(m1+m2)l1φ¨1+m2l2φ¨2+(m1+m2)gφ1=0l1φ¨1+l2φ¨2+gφ2=0

设方程的解为 φ1=A1eiωt,φ2=A2eiωt,将它们代入运动微分方程可以得到

A1(m1+m2)(gl1ω2)A2m2l2ω2=0A1l1ω2+A2(gl2ω2)=0

特征方程为上述方程组的系数行列式等于零,或者 det(Uω2M)=0 ,即

|(m1+m2)(gl1ω2)m2l2ω2m2l1ω2m2(gl2ω2)|=0

由此可解得本征频率为

ω1,22=g2m1l1l2×{(m1+m2)(l1+l2)±(m1+m2)[(m1+m2)(l1+l2)24m1l1l2]}

将上式再代入运动微分方程可以得到 A2=α1,2A1α 大概率是一坨丑陋的常数式子(这里偷个懒),它们简单写是:

α1=l1ω12gl2ω12,α2=l1ω22gl2ω22

于是

[φ1φ2]=[A1|ω1A1|ω2A2|ω1A2|ω2][eiω1teiω2t]real=[A1|ω1A1|ω2A2|ω1A2|ω2][cos(ω1t+ϕ1)cos(ω2t+ϕ2)]

C1=A1|ω1,C2=A1|ω2,上式变为

[φ1φ2]=[C1C2α1C1α2C2][cos(ω1t+ϕ1)cos(ω2t+ϕ2)]

1.3 (3)

反解上式得到简振坐标

[Q1Q2]=[C1cos(ω1t+ϕ1)C2cos(ω2t+ϕ2)]=[11α1α2]1[φ1φ2]=1α2α1[α21α11][φ1φ2]

对于 l1=l2=l,m1=m2=m 的情况会很简单,变成

[Q1Q2]=24[2121][φ1φ2]

2 耦合谐振子

L=12m1x˙212k1x2+12m2y˙212k2y2+αxy 代入拉格朗日方程得到

m1x¨+k1xαy=0m2y¨+k2yαx=0

代入 x,y=a,b×cos(ωt) 得到系数方程

(m1ω2+k1)aαb=0αa+(m2ω2+k2)b=0

得到久期方程

|m1ω2+k1ααm2ω2+k2|=0

解得本征频率

ω1,22=m1k2+m2k1±(m1k2+m2k1)24m1m2(k1k2α2)2m1m2=m1k2+m2k1±(m1k2m2k1)2+4α2m1m22m1m2

将上式代回系数方程得到, b=β1,2a,其中

β1,2=m1ω1,22+k1α=m1k2m2k1±(m1k2m2k1)2+4m1m2α22m2α

于是

[xy]=[a|ω1a|ω2b|ω1b|ω2][cos(ω1t+ϕ1)cos(ω2t+ϕ2)]

C1=a|ω1,C2=a|ω2,上式变为

[xy]=[C1C2β1C1β2C2][cos(ω1t+ϕ1)cos(ω2t+ϕ2)]

反解上式得到简振坐标

[Q1Q2]=[C1cos(ω1t+ϕ1)C2cos(ω2t+ϕ2)]=[11β1β2]1[xy]=1β2β1[β21β11][xy][m1ω22+k1α1m1ω12k1α1][xy]

对于 k1=k2=k,m1=m2=m 的情况会很简单,变成

[Q1Q2]=22[1111][xy]

3 平面谐振子

朗道:

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