单摆的数学模型

拉格朗日模型建立
由以上得拉格朗日方程
&& + mgl sin θ = 0 ml θ
2
从而得到单摆的数学模型为
&& + g sin θ = 0 lθ
此例表明用拉格朗日 方程建立数学模型，其优 点在于能自由地选取一些 量作广义坐标，使得在这 些坐标下，力或运动具简 单的形式。
进一步思考的问题
拉格朗日方程还有哪些应用？
单摆的数学模型
本文用拉格朗日方程建立 了单摆的数学模型
主 要 内 容
问题分析 模型假设 拉格朗日模型建立 进一步思考的问题
Байду номын сангаас
质量为m的球用长为l的细线悬挂在o 点，如图
o y
θ
l
y
x
Tr
m
mg cos θ
s = lθ
x
mg
mg sin θ
在地球引力作用下作往复 摆动，若不记线的质量，侧称 次系统为单摆，试求摆球 m的 运动规律（不计其他阻力）。 时间t为自变量，细线与垂线的 摆角为未知函数 θ (t )，设逆时针 方向为 θ 的正向。
g && + θ θ = 0 l
模型假设
下面用拉格朗日来建立数学 模型，因质点作圆弧运动，故 质点坐标的约束方程为
x + y =l
2 2
2
显然，系统只有一个自由度，因而 广义坐标只需一个，可以选弧长s为广 义坐标，也可选取线对铅直位置的夹角 θ，此处选取θ作广义坐标简单些，由 几何关系有
x = l cosθ y = l sin θ
问题分析
先分析摆球在运动时的受力 情况，当摆线偏角为θ (t ) 时，重 力mg在运动方向的投影为 mgsinθ 它将摆拉向平衡位置，重力mg在 Om连线方向上的分力与线的张力 相平衡，右牛顿第二定律，有
&& = − mg sin θ mlθ
或写为
&& = −mg sin θ mlθ
上式就是单摆运动的数学 模型，为一个二阶非线性常 微分方程。 当θ 充分小时，即摆球作 小振幅摆动时， θ ≈ θ ，故 sin 可得到近似 的模型：
质点的动能为
1 1 2 2 2 2 T = m ( x + y ) = ml θ 2 2
作用在系统上的 主动能为 重力，是有势力，设 x = 0 处 位能为零，侧位势为
V = −mgx = −mglcosθ
于是摆的 拉格朗日 函数为
1 2 L = T − V = ml + mgl cosθ 2 dt &2 dθ