用一级,二级欧拉法求解单摆摆角和时间关系曲线,已知摆长1.016米,重力加速度9.81米每秒的平方,摆球质量0.05千克,阻力与运动速度成正比,比例系数为0.02,时间在25秒内。用python求解,写出相关代码
时间: 2024-09-20 20:14:44 浏览: 50
一级和二级欧拉法通常用于数值解算物理方程,特别是在处理连续系统的微分方程时。对于单摆的问题,我们可以使用简谐振动的模型,即θ'' = -g/l * sin(θ) + d(v)/dt,其中θ是摆角,v是摆动速率,l是摆长,g是重力加速度。由于有阻力的影响,我们需要考虑其对速度的影响。
首先,我们忽略空气阻力,这是一个理想化的假设。然后,引入阻力修正的简化模型,将阻力简化为一个线性项,并将其纳入动力学方程。在实际应用中,一级和二级欧拉法分别对应于简单更新(Forward Euler)和改进更新(RK2,如Midpoint Method),这里我们先展示一级欧拉法的代码:
```python
import numpy as np
# 定义常量
l = 1.016 # 摆长,单位米
m = 0.05 # 摆球质量,单位千克
g = 9.81 # 重力加速度,单位 m/s^2
k = 0.02 # 阻力比例系数
# 初始条件(例如摆角0度,初始速度0)
theta_0 = 0.0
omega_0 = 0.0
# 时间步长和总时间
delta_t = 0.01 # 时间步长,单位秒
t_max = 25 # 总时间,单位秒
# 使用一级欧拉法求解
def euler_step(theta, omega, t):
alpha = -(g / l) * np.sin(theta)
dv_dt = -k * omega
omega_new = omega + delta_t * alpha
theta_new = theta + delta_t * omega
return theta_new, omega_new
# 创建数组存储结果
times = np.arange(0, t_max, delta_t)
theta_euler = [theta_0]
omega_euler = [omega_0]
for t in times[:-1]:
theta_euler.append(euler_step(theta_euler[-1], omega_euler[-1], t)[0])
omega_euler.append(euler_step(theta_euler[-1], omega_euler[-1], t)[1])
# 结果是列表形式,可以画图显示摆角随时间变化
theta_euler_array = np.array(theta_euler)
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