<h3>一、系统建模与参数定义</h3>: N# h9 H' a9 {' H
<p>考虑由两根无质量刚性杆组成的平面双摆:</p>5 r) i# g; u6 q: n3 J) ]
<p><img src="data/attachment/forum/202510/15/132701hq25xg4z6g642q4j.webp" alt="R-C1.webp" title="R-C (1).webp" /><img src="data/attachment/forum/202510/15/132702dyqtwgyjtzpgjj03.webp" alt="5f27f23469c44620b5382accb18380e6.webp" title="5f27f23469c44620b5382accb18380e6.webp" /></p>
5 r/ C+ F% G! F% a<p><img src="data/attachment/forum/202510/15/132702ztshdfhpfjs9tfcf.webp" alt="7d1bb93fb06e59b99a1b157c8599b6be.webp" title="7d1bb93fb06e59b99a1b157c8599b6be.webp" /></p>
% {) I/ }) _1 b( e( k<div class="language-math">上端杆长\\(L_1\\),下端连接质量\\(m_1\\)的小球</div>
. c& ^4 K4 h$ I<div class="language-math">下端杆长\\(L_2\\),末端连接质量\\(m_2\\)的小球</div>
. L1 L8 {& N: i<div class="language-math">两杆与竖直方向夹角分别为\\(\theta_1\\)、\\(\theta_2\\)(广义坐标,2 个自由度)</div>5 _4 z+ j' A6 l& E; R( }% `
<div class="language-math">重力加速度为\\(g),系统无摩擦约束</div>6 }( c' A' B9 H3 Z f7 y
<h3>二、拉格朗日量构建(L=T-V)</h3>
( y2 @4 \- `& f( T) v2 P! I<h4>1. 动能计算(平动动能总和)</h4>
2 Z+ V. u* X( t/ h$ x) O% F<p>通过坐标变换将小球位置表示为广义坐标的函数:</p>; J- T+ P1 L6 T* m# w8 |
<pre><code>x₁ = L₁sinθ₁, y₁ = -L₁cosθ₁
3 F* B# k! W6 y* P" }x₂ = L₁sinθ₁+L₂sinθ₂, y₂ = -L₁cosθ₁-L₂cosθ₂; y4 R4 Y: R2 l4 F I% c8 c
</code></pre> P5 B% L6 _, K
<p>对时间求导得速度分量,动能为:</p>. n, l) {6 W5 u
<div class="language-math">(T = \frac{1}{2}m_1(\dot{x}_1^2+\dot{y}_1^2) + \frac{1}{2}m_2(\dot{x}_2^2+\dot{y}_2^2))</div>2 ?4 k9 x! q" N1 k; U1 J
<p>化简后:</p>6 u$ q; B! f, {" h4 [6 m
<div class="language-math">(T = \frac{1}{2}(m_1+m_2)L_1^2\dot{\theta}_1^2 + \frac{1}{2}m_2L_2^2\dot{\theta}_2^2 + m_2L_1L_2\dot{\theta}_1\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2))</div>
7 ], p7 l5 _+ V$ U a. S, N<h4>2. 势能计算(重力势能总和)</h4>
- G: S( t9 }( q9 e% }, g" I& j1 ^% A<p>以悬挂点为势能零点:</p>: x3 p4 [! x; d' q T
<div class="language-math">(V = m_1gL_1(1-\cos\theta_1) + m_2g[L_1(1-\cos\theta_1)+L_2(1-\cos\theta_2)])</div> Y g$ G, C* W2 L
<h4>3. 拉格朗日量确立</h4>, p- Z* f, ~% o+ D" n- f# ]8 G9 O
<div class="language-math">(L = T - V = \left[ \frac{1}{2}(m_1+m\_2)L_1^2\dot{\theta}_1^2 + \frac{1}{2}m_2L_2^2\dot{\theta}_2^2 + m_2L_1L_2\dot{\theta}\_1\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2) \right]</div>
+ `1 y% d$ _+ v6 v. I+ A<div class="language-math">- \left[ (m_1+m_2)gL_1(1-\cos\theta_1) + m_2gL_2(1-\cos\theta_2) \right])</div>
: N( s% d9 p$ K8 ?7 _6 w<h3>三、欧拉 - 拉格朗日方程求解</h3>
/ N$ ~% A+ t) A<p>对两个广义坐标分别应用方程:</p>0 K+ {, n" [9 Z; h
<div class="language-math">(\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{\theta}_i}\right) - \frac{\partial L}{\partial \theta_i} = 0\\)</div>& U0 [4 z. }% f ~2 p8 _7 q- w; k
<h4>1. 关于θ1的方程</h4>8 b( `) t9 u2 l4 n# j
<ul>/ f8 m' N: n4 ?, ?; R1 x5 {4 d! c
<li>计算偏导数:</li>- K7 X0 U7 |% c
</ul>
7 P% S. H; F& F$ D% m/ B<div class="language-math">(\frac{\partial L}{\partial \dot{\theta}\_1} = (m_1+m_2)L_1^2\dot{\theta}_1 + m_2L_1L_2\dot{\theta}_2\cos(\theta_1-\theta_2)\\)</div>& |4 ]) C, y$ C* [2 o! s5 a
<div class="language-math">\\(\frac{\partial L}{\partial \theta_1} = -m_2L_1L_2\dot{\theta}_1\dot{\theta}_2\sin(\theta_1-\theta_2) - (m_1+m_2)gL_1\sin\theta_1\\)</div>; Y" ?1 M8 l, y$ h, i4 E* Z
<ul> ]. Y( }) Y+ r5 c1 E; b) f
<li>时间导数与整理后得:</li>$ l8 e7 F8 | B# e2 B7 A9 K
</ul>) w+ F6 }) L n2 L; d
<div class="language-math">\\((m_1+m_2)L_1\ddot{\theta}_1 + m_2L_2\cos(\theta_1-\theta_2)\ddot{\theta}_2 + m_2L_2\sin(\theta_1-\\theta\_2)\dot{\theta}_2^2 + (m_1+m_2)g\sin\theta_1 = 0 \quad (1))</div>
1 u% x9 S2 G. K4 j3 `6 F; l0 w7 T<h4>2. 关于θ2的方程</h4>
9 K x5 z# m K, n<p>同理推导得:</p>
% A# ^& k$ L: k* P- B B5 w3 \ w<div class="language-math">(L_2\ddot{\theta}_2 + L_1\cos(\theta_1-\theta_2)\ddot{\theta}_1 - L_1\sin(\theta_1-\theta_2)\dot{\theta}_1^2 + g\sin\theta_2 = 0 \quad (2)\\)</div>
' _9 w# d( q& y4 O<h3>四、物理意义与拓展</h3># u& z! S9 b5 {' w; R& ]
<ol>/ t" Z2 {4 H& ?! C5 c
<li><strong>非线性特性</strong>:</li>5 [2 k6 r) z' w& f0 T+ f
<li>8 d, Z6 n. S5 Q) g$ h
<div class="language-math">方程 (1)(2) 含\\(\sin(\theta_1-\theta_2)\\)等非线性项,大摆角时表现混沌行为(对初始条件极度敏感)</div>
, h! g3 u- Q8 ~5 Z) `5 I# e</li>
* i! g" L4 w' s$ l5 z& H% S<li><strong>简化特例</strong>:</li>5 g5 L/ B, _- \, p7 Q4 F
<li>
$ f2 d! ]: v/ }+ l<div class="language-math">当\\(m_2=0\\)时退化为单摆方程\\(L_1\ddot{\theta}_1 + g\sin\theta_1=0\\)</div>
* }+ M1 _* L6 S( V8 A# g, F" r</li>5 E B( Z% r9 j1 Y7 |! m
<li><strong>工程关联</strong>:弹性双摆模型(杆具弹性形变)可用于柔性机械臂、仿生运动研究</li>$ J! V* p" x0 \9 B1 m6 w3 H2 f
<li><strong>数值验证</strong>:通过 Python 的odeint函数求解微分方程,可绘制动图展示轨迹演化</li># G$ _' A8 F6 \2 c: I9 u" D
</ol>
( h9 a! M$ j) o6 d' x |
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本文《拉格朗日力学--经典双摆的案例》由: digger 发表于 2025-10-15 13:27
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