微分方程
根据牛顿第二定律:
k∗(g−x)−dv=ma。
其中k 为弹簧劲度系数,d 为阻尼系数。
上述v 为带符号值。朝向目g 的方向为正,否则为负。
g−x 为相对位移。可以让g为0,x为相对位移。则可以简化成
−kx−dv=ma
无阻尼弹簧
上式子中d=0。式子变为
−kx=ma
a+mkx=0
求解微分方程。令x(t)=eλt,则v=x′(t)=λ∗eλt,a=x′′(t)=λ2∗eλt。代入上式中:
λ2+mk=0
λ=±−mk=±mk∗i
令w=mk,微分方程有两个线性无关解:
x1(t)=ewti=cos(wt)+isin(wt)
x2(t)=e−wti=cos(wt)−isin(wt)
则方程通解:
x(t)=C1x1(t)+C2x2(t)
其中C1,C2 由初始条件确定。将上式展开:
x(t)=C1∗(cos(wt)+isin(wt))+C2∗(cos(wt)−isin(wt))
x(t)=(C1+C2)cos(wt)+i∗(C1−C2)sin(wt)
转换成实数,令A=C1+C2,B=i∗(C1−C2),则:
x(t)=Acos(wt)+Bsin(wt)
初始条件:t=0时,有x0,v0
则A=x0,由x′(t)=−A∗w∗sin(wt)+B∗w∗cos(wt),得B=wv0.
整理:
x(t)=x0∗cos(wt)+wv0∗sin(wt)
阻尼弹簧
对于d>0 的情况。式子变为:
a+md∗v+mk∗x=0
特征方程为:
λ2+md∗λ+mk=0
令:w=mk,ζ=2mkd,ζ称为阻尼比。
上面式子变为:
λ2+2∗ζ∗w∗λ+w2=0
考虑Δ=4∗w2∗(ζ−1)
- 如果Δ=0,即ζ=1,即d=2mk。称为临界阻尼。
- 如果Δ<0,即ζ<1,即d<2mk。称为欠阻尼。
- 如果Δ>0,即ζ>1,即d>2mk。称为过阻尼。
临界阻尼
表现上,刚好停止在平衡点。
对于二阶齐次线性微分方程,如果特征值相同的话,比如下面方程
y′′+a∗y′+b=0
λ2+a∗λ+b=0
特征解为:λ=−2a。
那么其中一个解是y1=eλt。
使用常数变易法,令y2=g(t)∗eλt,则y2′=g′∗eλt+g∗λ∗eλt,y2′′=g′′∗eλt+g′∗λ∗eλt+g′∗λ∗eλt+g∗λ2∗eλt
代入得:g′′=0
积分两次:g′=C1,g=C1t+C2。所以y2=(C1t+C2)∗eλt。
因为C2∗eλt和y1 线性相关了,所以取C1=1,C2=0,得出y2=t∗eλt。
最终的通解为
y=(C1+C2t)eλt
y′=C2eλt+(C1+C2t)λeλt=(C2+(C1+C2t)λ)eλt
对于上面阻尼弹簧:λ2+2∗ζ∗w∗λ+w2=0,ζ=1
λ=−ζw=−w
对于弹簧情况:x(t)=(C1+C2t)eλt. t=0,时刻有x0,v0
C1=x0
C2=v0+wx0
欠阻尼
表现上,阻尼不够,来回衰减震荡。
对于λ2+2ζwλ+w2=0,阻尼比ζ=2mkd<1。Δ=d2−4mk=4w2(ζ2−1)<0。
特征方程有两个复根:
λ1=2−2ζw+iΔ=−ζw+iw1−ζ2
λ2=2−2ζw−iΔ=−ζw−iw1−ζ2