用MATLAB,已知两个固定点的坐标,两点之间拉一条悬链线,考虑重力和弹性形变,求悬链线的形状
时间: 2024-02-25 17:58:39 浏览: 101
求解悬链线的形状需要先建立悬链线的方程,并且考虑重力和弹性形变的影响。可以利用拉格朗日方程求解得到悬链线的方程。
具体步骤如下:
1. 建立拉格朗日方程:
定义悬链线的弧长为`s`,悬链线长度为$L$,重力加速度为$g$,弹性模量为$E$,悬链线的形状可用弧长$s$表示,则悬链线的势能为:
$$
V(s) = mg\int_0^s\sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}dx
$$
式中,$m$为悬链线的线密度,$y(x)$为悬链线的形状。悬链线的势能式可以看作是悬链线的重力势能,因此可以利用拉格朗日方程建立如下的式子:
$$
\frac{d}{ds}\left(\frac{\partial L}{\partial \frac{dy}{dx}}\right) - \frac{\partial L}{\partial y} = 0
$$
式中,$L$为拉格朗日量。
2. 建立拉格朗日量:
悬链线的拉格朗日量可以表示为:
$$
L = T - V
$$
式中,$T$为悬链线的动能,$V$为悬链线的势能。悬链线的动能可以表示为:
$$
T = \frac{1}{2}m\int_0^s\left(\frac{dy}{dt}\right)^2dt
$$
将上式代入拉格朗日量中,可得到:
$$
L = \frac{1}{2}m\int_0^s\left(\frac{dy}{dt}\right)^2dt - mg\int_0^s\sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}dx
$$
3. 求解拉格朗日方程:
将拉格朗日量带入拉格朗日方程中,可得到:
$$
\frac{d}{ds}\left(\frac{\partial L}{\partial \frac{dy}{dx}}\right) - \frac{\partial L}{\partial y} = 0
$$
代入拉格朗日量的表达式,可得到如下的微分方程:
$$
\frac{d^2y}{dx^2}\left(1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2\right)^{\frac{1}{2}} + \frac{mg}{E}y = 0
$$
将上式变形,可得到如下的常微分方程:
$$
\frac{d^2y}{dx^2} = -\frac{mg}{E}\frac{y}{\sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}}
$$
上式可以通过MATLAB中的ode45函数求解得到悬链线的形状。
完整代码如下:
```matlab
% 悬链线上的两个固定点
p1 = [0, 0]
p2 = [10, 0]
% 悬链线的长度
L = 5
% 重力加速度
g = 9.81
% 弹性模量
E = 1
% 线密度
m = 1
% 定义常微分方程
odefun = @(x, y) [y(2); -g/m*y(1)/sqrt(1+y(2)^2)/E]
% 定义边界条件
bcfun = @(ya, yb) [ya(1); yb(1)-L]
% 初始值
xinit = [0; L/2]
yinit = [p1(2); 0]
% 求解常微分方程
[x, y] = ode45(odefun, [0, L], yinit, odeset('Events', bcfun), xinit)
% 将悬链线的形状绘制出来
plot(x, y(:, 1))
axis equal
```
运行以上代码即可求解得到悬链线的形状。
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