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95年度簡諧運動數學模式建立之研究.ppt

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95年度簡諧運動數學模式建立之研究

簡諧運動數學模式建立之研究 指導老師:林明寬 老師 大學電機四乙 U9221077 許智堯 何謂簡諧運動? 物理上有許多運動情形,如單擺、圓周運動等規律性的運動,我們可以將之歸類為「簡諧運動」。 圖片來源:.tw/vocation/mechanical/tp_st/top2/ch10/htm 研究動機 一個物體如果沒有持續的力來供應,終將隨時間而停止,因為空間中充滿了各種摩擦力的因子。我們要做的,是深入了解所有組尼的成因、特性,以便能以最有效率的方法,將其影響降至最低。 於是,我們可以從實際的實驗,配合數學公式模擬,找出讓運動中物體停止的所有原因。 簡諧運動實驗 1.實驗器材 轉輪感應器 砝碼 滑車軌道 滑車 彈簧 簡諧運動實驗 2.實驗步驟 a.架設裝置如圖 b.開啟Dats Studio 繪製滑車運動波型 c.測量彈性係數,以力學公式 F=kx=mg(m指加上的砝碼重,g指地 球的重力加速度,k為彈簧彈性係數,x為彈簧增長的長度) 可得 d.測量動摩擦力與最大靜摩擦力 簡諧運動實驗 3.實驗結果的輸出圖形 應用Matlab,分析簡諧運動 首先我們先將簡諧運動的理論公式 F = -kx,帶入Matlab進行模擬 function dy=f1(t,y) global m k dy(1)=y(2); dy(2)= (k/m)*y(1); dy=dy; 應用Matlab,分析簡諧運動 假定m=0.5,k=5,初始位移量=1公尺,模擬20秒 global m k m=0.5; k=5; [t,y]=ode45(f1,[0 20],[1 0]) plot(t,y(:,1),t,y(:,2)) xlabel(t); ylabel(x(t) and v(t)); legend(x(t), v(t)); 應用Matlab,分析簡諧運動 得到輸出模擬圖形如下 應用Matlab,分析簡諧運動 根據理論公式,我們可以看到,不論位移量或是速度,都不隨時間而變化。 不過從實驗中,我們可以發現,滑車沒有受到一個持續的力,終將隨時間而停止,是因為空間中,充滿了各種摩擦力的因子。現在讓我們從數學模擬中,找出並且驗證運動中的物體,受到了哪些摩擦力的影響。 探討阻尼與Matlab模擬 1.探考空氣阻力: 我們可以從公式推倒,得到空氣阻力的係數 = 2m / T 將此因素加入簡諧運動理論公式,進行模擬 function dy=f1(t,y) global b m k dy(1)=y(2); dy(2)=(-b/m)*y(2)-(k/m)*y(1); dy=dy; 探討阻尼與Matlab模擬 得到輸出模擬圖形如下 探討阻尼與Matlab模擬 空氣阻力與滑車的速度有關,速度越快,阻力越大,不過相對速度越慢,造成的影響也越小,速度永遠不會減為零。因此根據空氣阻力來修正的公式,振幅會縮小比較快,但滑車一樣是永遠不會停止。因此,一定還有除了空氣之外的其他摩擦因素存在,使得滑車停止。 探討阻尼與Matlab模擬 2.探討軌道與滑車間的摩擦力 根據牛頓力學,摩擦力 = 正向力 x 摩擦係數,其中正向力在本實驗中,即滑車的總質量 x地球的重力加速度(g)。 所以若是將軌道摩擦力,再放進已經加入空氣阻力的簡諧運動方程: F = -kx – bv –m*g*u 其中u為滑車與軌道間的摩擦係數。 探討阻尼與Matlab模擬 將加入軌道摩擦力的公式帶入Matlab進行模擬 function dy=f1(t,y) global b m k u dy(1)=y(2); dy(2)=(-b/m)*y(2)-(k/m)*y(1)-u*9.8; dy=dy;

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