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非线性方程的近似解

下一节:落体问题在惯性系中解释

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非线性方程的近似解课程教案、知识点、字幕

好 大家好 今天的话呢

我们介绍一种方法能处理很复杂的方程

我们来看一下

前面的话我们已经介绍了在落体问题中

我们有一个物体下落时的一个方程

写上就是说质量加速度

等于质量等于重力加速度

减掉由于自转导致的附加项

那么为了分析方便的话呢

我们通常把G0

减掉ω乘(ω乘R)的话呢

把他整个定义成G

G0的话称为引力加速度

他是指向地心的

而G的话称为当地表观加速度

沿着我们定义的垂线方向

因为我们在测量时候话呢这个

比如说自转的话呢他总是

同时存在的所以的话呢

不能把他分开来所以我们把他干脆合在一起

好 这样一来的话呢

我们就知道落体的方程可以写成这样一个形式

M乘以R..

等于MG减去两个的Mω乘以R.

好 根据我们的坐标XYZ是这样建立的

其中Z轴的话是指向天的

X轴的话呢是沿着地球的切向指向东方

Y的话沿着那个

子母线的切向指向北方

东北天坐标系

好 在这样坐标系中的话呢

地球的角速度他的分量是O

ω乘以cosφ ω乘以sinφ

好了 我们看看把这个表达式

带入到我们公式中去

把他解出来看看我们的方程式他怎么求解呢

在这种情况下

落体的动力式方程

展开之后是X两点

等于两倍的ω

乘以括号里面Y一点

乘以sinΦ减掉Z一点乘以cosΦ

Y两点等于负的两倍的ω乘以X一点乘以sinΦ

Z两点等于负的G

加上两倍的ω乘以x一点乘以cosΦ

那么这个方程啊

你一看的话很复杂

通常不好解

我们下面考虑他的初始条件

因为你是落体 啊

开始时候的位置XY等于O

Z的话等于某个高度H

速度都是为O

好了 那么我们看看这个方程应该怎么解呢

他是一个非线性方程

通常来说是没解析解的

所以的话呢 我们下面考虑

如何进行一个近似的分析

那么下面方法的话呢可以

是处理

非线性方程一般的方法可以考虑一下

我们采用迭代方法求解

我们先设X0

Y0Z0的话是

这个解的0次近似

是什么意思呢

就是我们先不考虑地球自转

比如说让ω等于0

这时候我们看他的解是什么呢

那么当ω等于0的时候

他要满足这样一个方程

我们原方程退化了

变成了什么呢M等于加速

等于M乘以重力加速度 这个方程很简单

好了 在0次方情况下

他的解是什么呢

他的方程是这样的X两点

等于0 Y两点等于0 Z两点等于负的G

初始的条件跟开始一样

那么这个情况下

解是很容易找到的

其实我们以前在中学的时候就会

处理的方程 好了

那么这个解就是0次方程的解

也就是他是不考虑地球自转的情况下解出的解

然后呢我们以这个方程为基础来求出他的

一次近似 我们看怎么做

我们把零次方程解位置和速度

带入到原方程中

好 我们来看看带进来之后的话呢

我们比如以第一项X两点

后面这项为例 带出来之后得出这样一个解

X1两点

等于两倍的ωgt乘以cosΦ

好 为什么会这样呢 你看

这里面Y一点等于零带进去就没了

所以只剩下Z

Z的话呢

Z的点等于负的GT出来是这样一个方程

那么类似的话呢

Y两点等于0

因为

原来的方程式Y两点等于

负的两倍的ωX一点乘以sinΦ

X一点的话现在是0带进去是没了

所以的话呢得到 就是考虑

一阶近似之后

他的解是这样一个方程

那么这个方程的话呢

当然就比刚才的方程稍微复杂一点

但是也是可以解的我们把他解出来

把初始条件带进去

可以得到满足

初始化条件的一阶近似解是什么呢

是X1等于三分之一的

ω乘以g乘以t的三次方乘以cosφ

y1等于0

z1等于H减掉二分之的gt平方

我们注意到这个解

跟零次解的区别在于

在x方向多了一个

一个表达式y方向没有变

而我们说的x方向是指

向东方的所以的话表示的话

物体落体的时候

在向东方面运动

我们考虑落地时间

好 这样一来的话得到

落体偏东的表达式是

Δ三分之一的gω

乘以整个的落体时间的

2分之3次方乘以cosφ

所以这个表达式就有了

那么有这个

一阶近似之后呢如果我们求

2阶近似的话怎么做呢

那么我们就把一阶近似的结果

再代入原方程

代入之后得到这样一个表达式

就是x两点

等于2倍的ω gt cosφ

Y两点等于负的ω方

乘以gt平方乘以sinφ cosφ

z两点等于负g加上两倍的ω方

gt平方 cos平方φ

那么这个方程就是

二阶的解

因为在这里面的话我们会看到

Y的解中出现了ω方

也是关于ω的二阶的方程

所以是二阶近似方程

那么我们可以通过一些相关的分析可以得到

初始条件的二阶近似方程的解是什么呢

是x2等于三分之一的g

乘以ω乘以t的三次方乘以cosφ

y2等于负的十二分之一的gω方

t的4次方乘以sin2倍 的φ

z等于h减掉二分之一的gt平方

加上6分之一的gω平方

t4次方乘以cos平方φ

我们特别注意一下

在y方向出现了一个解

他的什么意思呢

他表示的是像南偏

因为我们刚才记住

y方向的话是指向北方的

你现在表达式中是有一个负号

负号表示像南偏所以的话呢

像南偏的方程也有了

好 通过这样的方程的话呢处理的话

我们就把一个

很复杂的非线性方程

找出来了他的一阶二阶的近似解

那么按照类似的方法的话呢

你可以找出n阶近似

所以利用这种方法

这是一般的方法可以把这个

非线性方程的高阶近似解把他找出来

那么对于我们的问题

通常找到二阶 的话已经够了

好 我们看看通过这样分析的话呢

他像东偏

像南偏的表达式都把他找出来了

好希望大家把这个方法领悟之后呢

未来可以处理更多的更复杂的方程

好 谢谢大家

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绪论

-绪论

--绪论

第一章 点的运动学

-1-1 矢量描述法

--第一章运动的描述

--1-1 矢量描述法

--矢量及其运算

-1-2 直角坐标描述法

--1-2直角坐标描述法

--例题1 椭圆规

--例题2 圆轮滚动

-1-3 自然坐标描述法

--1-3 自然坐标描述法

--例题3 单摆

-1-4 极坐标描述法

--1-4 极坐标描述法

--例题4 演员

--讨论题 多种方法求解

-扩展内容

--a 点的运动学扩展

--b 观察与思考

--c 时间与方向

--d 仰望星空

--e 兔子追击问题

-第一章 点的运动学--作业

第二章 刚体运动学

-2-1 刚体的定义与运动形式

--2-1 刚体的定义与刚体的运动形式

-2-2 刚体的矢量-矩阵描述

--2-2 刚体运动的矢量-矩阵描述

--2-2-0 刚体运动的矢量-矩阵描述

--2-2-1 刚体的运动方程

--2-2-2 刚体上任意点的速度和加速度

--2-2刚体的矢量-矩阵描述例题1-2

-2-3 刚体平面运动

--2-3 刚体平面运动

--2-3-1 平面运动的运动方程

--2-3-2 刚体上任意点的速度和加速度

--2-3-3 速度分析 基点法

--2-3-3 速度分析 瞬心法

--2-3-3 速度分析 速度投影定理

--2-3-3速度分析 刚体平面运动的瞬心轨迹

--2-3-4 刚体平面运动的加速度分析

--2-3-3速度分析例题1-4

--2-3-4加速度分析例题1-4

-2-4 刚体定点运动

--2-4-1 刚体定点运动几何分析

--2-4-2 刚体定点运动的解析描述

-扩展内容

--2-扩展-a加速度是否存在投影定理

--2-扩展-b图形放大器

--2-扩展-c连弩射击

--2-扩展-d关于刚体的转动

--2-扩展-e欧拉角探秘

-第二章 刚体运动学--作业

第三章 复合运动

-3-1 点的复合运动

--3-1 点的复合运动

--3-1-1 运动方程

--3-1-2 矢量的绝对导数与相对导数

--3-1-3 速度合成定理

--3-1-4 加速度合成定理

-3-2 刚体复合运动

--3-2 刚体复合运动

-例题

--3-1-1 运动方程例题1 工件轨迹

--3-1-3 速度合成定理例题1-3

--3-1-4 加速度合成定理例题1-4

--3-2-1 角速度合成例题1-3

--3-2-2 刚体定点运动例题1-2

-扩展内容

--钟表的设计

--寻找四叶草

--差动齿轮

--指南车

--逆行风车

-第三章 复合运动--作业

第四章 几何静力学

-4-0 静力学公理序言

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-4-1 主矢量和主矩

--4-1 主矢量和主矩

-4-2 力系的等效与简化

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-4-3 受力分析与刚体平衡

--4-3 受力分析与刚体平衡

-4-4 平面力系的平衡方程

--4-4平面力系的平衡方程

-4-5 考虑摩擦的平衡问题

--4-5考虑摩擦的平衡问题

-4-6 刚体系的平衡

--4-6-1 组合结构

--4-6-2 桁架

--4-6-3 机构

-例题

--4-1 主矢量和主矩例题1-3

--4-2 力系的等效与简化例题1-3

--4-3 受力分析与刚体平衡例题1-3

--4-4 平面力系的平衡方程例题1-2

--4-5 考虑摩擦的平衡问题例题1-6

--4-6-1 刚体系的平衡例题1-3

--4-6-2 桁架例题1-4

-扩展内容

--4-扩展-a纸桥过车

--气球的平衡

--平衡大师

--4-扩展-d动物爬绳

--4-扩展-e力学与考古

-第四章 几何静力学--作业

第五章 分析静力学

-5-1 约束及其分类

--约束及其分类

-5-2 虚位移

--虚位移

-5-3 虚功原理

--虚功原理

-5-4 广义坐标和广义力

--广义坐标和广义力

-5-5 势力场中的平衡

--势力场中的平衡方程

-例题

--5-3 虚位移原理例题

--5-4 广义坐标和广义力例题

--5-5 势力场中的平衡方程例题

-扩展内容

--关于投影

--不倒翁

--5-扩展-c欹器

--冈布茨

-第五章 分析静力学--作业

第六章 质点动力学

-6-1 质点运动微分方程

--6-1质点运动微分方程

--6-1质点运动微分方程例题

-6-2 质点在非惯性系中的运动

--6-2 质点在非惯性系中的运动

--6-2质点在非惯性系中的运动例题1

-6-3 相对地球的运动

--6-3 相对地球的运动

-扩展内容

--宇航员的问题

--6-扩展-b在小行星上打台球

--失重现象及模拟失重

--非线性方程的近似解

--落体问题在惯性系中解释

-第六章 质点动力学--作业

第七章 质点系动力学

-7-1 质点系动量定理

--7-1 质点系动量定理

-7-2 质点系动量矩定理

--7-2-1 质点系的动量矩

--7-2-2 质点系动量矩定量

--7-2-3 刚体定轴转动微分方程

--7-2-4 刚体平面运动微分方程

-7-3 质点系动能定理

--7-3 质点系的动能定理

-7-4 质系普遍定理的综合应用

--7-4 质系普遍定理的综合应用

-7-5 碰撞

--7-5 碰撞

-例题

--7-1 质点系动量定理1-4

--7-2-1 质点系动量矩例题1

--7-2-2 质点系动量矩定理例题1-2

--7-2-3 刚体定轴转动微分方程例题1-2

--7-3 质点系动能定理例题1-2

--7-4 质系普遍定理的综合应用例题1-2

--7-5 碰撞例题1-4

-扩展内容

--7-拓展-a跳高

--7-扩展-b跳水

--7-拓展-c手机吊冰箱

--7-扩展-d小鸭下山

--7-扩展-e飞针穿玻璃

--第七章 质点系动力学--作业

第八章 分析动力学

-8-1 达朗贝尔原理

--8-1达朗贝尔原理

-8-2 达朗贝尔-拉格朗日原理

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-8-3 第二类拉格朗日方程

--8-3第二类拉格朗日方程

-8-4 拉格朗日方程首次积分

--8-4拉格朗日方程首次积分

-例题

--达朗贝尔原理例题

--8-2达朗贝尔原理-拉格朗日

--8-3第二类拉格朗日方程

--8-4拉格朗日方程首次积分

-扩展内容

--广义动量守恒

--广义能量守恒

--非定常约束

--无轮小车

-第八章 分析动力学--作业

非线性方程的近似解笔记与讨论

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