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综合性数学实验
实验报告
基于汽车车轮轨迹的运动学实验
院(系)
专业班级
学生姓名
学 号
实验学期
成都工业学院实验报告
课程名称: 高等数学(I)-2 实验类型: 综合性实验
实验项目名称: 基于汽车车轮轨迹的运动学实验
一、实验目的
数学实验是大学数学课程的重要组成部分,是与微积分、线性代数、概率论
与 数 理 统 计 等 课 程 同 步 开 设 的 重 要 教 学 环 节 , 它
将 , , 三者融为一体。通过数学实
验使学生深入理解数学基本概念和基本理论,熟悉常用的数学软件,培养学生运
用所学知识建立数学模型,并使用计算机解决实际问题的能力。
而综合性数学实验更是结合专业,通过理论学习、研讨互动、技能演示、自
我验证以及创新设计等多种形式,全面培养学生运用数学及计算机解决实际问题
的能力。
二、实验要求
1.理解
的相关原理。
2.会建立相关数学模型,并利用
知识解决实际问题。
3.会利用 MATLAB 软件完成实际问题中所遇到的
,计算弧
长、面积、曲率等系列问题,并验证相关结论。
4.会设计数值实验来模拟验证平摆线(旋轮线)的
特性。
5.尝试设计利用汽车车轮轨迹的坐标点来计算汽车的
。
6.要求学生上机时间不得少于
学时。
7.
各问题的求解,按要求认真填写实验报告。
三、实验原理
已知汽车沿直线运动时车轮边缘某固定点运动轨迹为一平摆线,其参数方程
为 。易知轨迹摆线是一周期曲线,其每一个周期的曲
线段称为摆线的一拱。
第 1 页 共 6 页
四、实验步骤
1.用MATLAB计算摆线一拱
?x = a (? ? sin ? )
( a
?
y = a (1 ? cos ? )
?
=
3)
的弧长。
(1)给出计算弧长的数学积分公式(只需要公式,不需要结果):
(2)给出MATLAB的程序代码:
(3)给出弧长计算的程序结果:_________________________
(4)结论:摆线一拱的弧长等于滚动圆的直径的 倍。
2.用MATLAB计算摆线一拱
?x = a (? ? sin? )
(a
?
y = a (1? cos? )
?
=
3)
与x轴围成的面积。
(1)给出计算面积的数学积分公式(只需要公式,不需要结果):
(2)给出MATLAB的程序代码:
(3)给出面积计算的程序结果:_____________________________
(4)结论:摆线一拱与定直线围成的面积等于滚动圆面积的 _ 倍。
?x = a (? ? sin? )
(a = 3)
在? =
?
, ? =
?
,? = ? 点处的
3.用MATLAB计算摆线 ?
? cos? )
? y = a (1
4
2
曲率 K 。
第 2 页 共 6 页
(1)给出计算曲率的数学公式(只需要式子,不需要结果):
(2)给出MATLAB的程序代码:
(3)给出曲率计算的结果,填入表1。
?
K
表1 摆线在各点处的曲率
? =
?
? =
?
4
2
= ?
4.设车轮半径为3的某汽车以2的速度沿直线匀速行驶,已知车轮边缘某固定
点在初始时刻的位置坐标为 (0, 0) ,如图1所示。请用MATLAB计算出该点在时间
= 0, t = 1, t = 2, t = 3时的位置坐标和线速度大小。
图 1 汽车车轮轨迹图示
(1)分别给出该点坐标和线速度大小随时间 t 变化的数学关系式:
第 3 页 共 6 页
(2)给出位置坐标计算的结果,填入表2。
t
x
y
v
M
表2 车轮边缘某固定点在各时间点处的坐标
t = 0
t =1
t = 2
t = 3
5.验证倒放的摆线具有等时曲线特性。即多个小球在摆线形状的容器上任意
不同位置同时释放时,这几个小球会同时到达底部。具体来说,如图2所示,小
球从任意的点
M
(对应参数
0
)出发,到达底部
B
点的时间是与
0
无关的常数。
图2 等时曲线示意图
(1)请给出从任意点 M
出发到达
B
点的时间T 的数学积分表达式:
(2)用MATLAB的数值积分程序计算时间T ,将结果填入表3,小数点后请保
第 4 页 共 6 页
成都工业学院数学实验报告
留8位(
g
9.8m /
s
2
)。
表3
小球从不同点出发达到底部的时间
初始位置
?0
=
?
?0
=
2?
?0
=
3?
5
5
5
R = 2
R = 3
R = 4
结论:摆线是否具有等时曲线特性? 。
R g
五、进一步讨论和分析
已知汽车车轮边缘某点安装有位置感应器,当汽车沿直线运动时,感应器能
记录下该点在不同时刻的坐标。设在汽车某次行驶中,测出在不同时刻该点的位
置坐标,试设计一种方
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