Obligatorisk oppgave nr 3 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Like dokumenter
FYS2130 forelesning 1. februar 2013 Noen kommentarer til kapittel 3: Numeriske løsningsmetoder

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

TFY4160 Bølgefysikk/FY1002 Generell Fysikk II 1. Løsning Øving 2. m d2 x. k = mω0 2 = m. k = dt 2 + bdx + kx = 0 (7)

Løsning, gruppeoppgave om corioliskraft og karusell, oppgave 7 uke 15 i FYS-MEK/F 1110 våren 2005

TMA 4110 Matematikk 3 Høsten 2004 Svingeligningen med kompleks regnemåte

Kapittel 3. Numeriske løsningsmetoder. 3.1 Innledning. 3.2 Eulers metode og varianter

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Svingninger i en elektrisk RCL-krets med og uten påtrykt vekselspenning.

Prosjekt 2 - Introduksjon til Vitenskapelige Beregninger

Fra harmoni til kaos

a) Ved numerisk metode er det løst en differensiallikning av et objekt som faller mot jorden. Da, kan vi vi finne en tilnærming av akselerasjonen.

Obligatorisk oppgave nr 5 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Løsningsforslag til hjemmeeksamen i INF3440 / INF4440

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger. Vi skal se på: Udempet harmonisk svingning. kap

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

4. Numeriske løsningsmetoder

MEK4510 Svingninger i konstruksjoner

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Obligatorisk numerikkøving. Innleveringsfrist: Søndag 13. november kl

Obligatorisk oppgave MAT-INF Lars Kristian Henriksen UiO

Oblig 1 FYS2130. Elling Hauge-Iversen

Pendler, differensialligninger og resonansfenomen

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 1

Kap. 14 Mekaniske svingninger

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6. Løsningsforslag

Oblig 3 i FYS mars 2009

TFY4104 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

Kap. 14 Mekaniske svingninger

Kap. 14 Mekaniske svingninger

FYS-MEK 1110 OBLIGATORISK INNLEVERING 1 ROBERT JACOBSEN ( GRUPPE 1 )

Matlab-tips ved oblig3 i FYS-MEK/F 1110 våren 2006

Reg tek final exam formelsamling

Termodynamikk og statistisk fysikk Oblig 2

Kapittel 3. Numeriske løsningsmetoder

Obligatorisk oppgave 3 i FYS-MEK/F1110 våren 2005

Fjæra i a) kobles sammen med massen m = 100 [kg] og et dempeledd med dempningskoeffisient b til en harmonisk oscillator.

Kapittel 3. Numeriske løsningsmetoder

Oppgaver for gruppeundervisningen i FYS2130 uke 18 våren 2009

Fra UiO sine websider (med tentativt antall poeng):

Utkast til: Løsningsforslag til eksamen i. Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder. 18.des for oppgave 1, 2 og 3

FYS2130 OBLIG 1 Anders Hafreager

FYS1120: Oblig 2 Syklotron

Figur 2 viser spektrumet til signalet fra oppgave 1 med 20% pulsbredde. Merk at mydaqs spektrumsanalysator 2

FYS2130. Tillegg til kapittel 13. Harmonisk oscillator. Løsning med komplekse tall

Prosjektoppgave, FYS-MEK1110 V06 ROBERT JACOBSEN

Noen MATLAB-koder. 1 Plotte en vanlig funksjon. Fredrik Meyer. 23. april 2013

9 + 4 (kan bli endringer)

Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

Newtons lover i én dimensjon (2)

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Kap. 14 Mekaniske svingninger. 14. Mekaniske svingninger

Oppgave 4. Med utgangspunkt i eksemplet gitt i oppgaveteksten er veien ikke lang til følgende kode i Matlab/Octave:

Løsningsforslag: MAT 1110 Obligatorisk oppgave 2, V-12

Newtons lover i én dimensjon (2)

Elektriske svingekretser - FYS2130

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Lars Kristian Henriksen Gruppe 3

Tabell 1: Beskrivende statistikker for dataene

Teknostart Prosjekt. August, Gina, Jakob, Siv-Marie & Yvonne. Uke 33-34

FYSMEK1110 Oblig 5 Midtveis Hjemmeeksamen Sindre Rannem Bilden

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

Forkunnskapskrav. Hva handler kurset om. Kontaktinformasjon. Kurset er beregnet på en student som kan

FYS1120: Oblig 2 Syklotron

Løsningsforslag til ukeoppgave 12

Kap. 5: Numeriske løsningsmetoder

Prosjektoppgave FYS2130. Vår Innleveringsfrist: 09/ , 20 CEST

Tar først 2 metoder for å løse differensialligninger. Se forøvrig pdf-dokumentet del 9, diskretisering, sampling i Industriell IT.

EKSAMEN I FY1001 og TFY4145 MEKANISK FYSIKK

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

FYS1120 Elektromagnetisme, Oppgavesett 4

Prosjektoppgave i FYS-MEK 1110

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

Løsningsforslag. og B =

Oblig 2 - MAT1120. Fredrik Meyer 23. september 2009 A =

a) The loop transfer function with the process model with a P controller is given by h 0 (s) = h c (s)h p (s) = K p (1 + s)(2 + s) K p

PROSJEKTOPPGAVE I FYS-MEK1110 VÅR BØRGE SÆTER

Newtons lover i én dimensjon (2)

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Notes for MAT-INF Snorre Christiansen, 5. april 2005

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE 1000 Oppgavesett 4 Innleveringsfrist:??? klokka 14:00 Antall oppgaver: 5, 20 deloppgaver.

Pilotprosjekt i faglig bruk av IKT i sivilingeniørutdannelsen: «Numerisk fysikk»

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9. Løsningsforslag

FYS1120: Oblig 2 Syklotron

V1 = input( Gjett p V1: ) %%Riktig verdi er omtrent V1= ; %%f.eks gir 4*E-4 i feil for T=123K. %%Bestemmer tilsvarende P1: P1 =

Kapittel Oktober Institutt for geofag Universitetet i Oslo. GEO En Introduksjon til MatLab. Kapittel 14.

Numerisk løsning av differensiallikninger Eulers metode,eulers m

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE/EMFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 14. september klokka 14:00 Antall oppgaver: 3.

TFY4106 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til øving 10

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

Simulering i MATLAB og SIMULINK

Transkript:

Obligatorisk oppgave nr 3 FYS-13 Lars Kristian Henriksen UiO 11. februar 15

Diskusjonsoppgaver 1 Fjerde ordens Runge-Kutta fungerer ofte bedre enn Euler fordi den tar for seg flere punkter og stigningstall og lager et vektet snitt av alle disse. Vi får da en metode som sikrer oss bedre nøyaktighet, så lenge tidsstegene velges fornuftig. 11 I det første tilfellet ser vi en bevegelse som kan anses for å være en dempet svingning, der amplituden avtar med tiden. I den andre bevegelsen kan det se ut til at det er snakk om en påtrykt kraft som slutter å virke like etter tid = 3.

Oppgave X x 1 1 6 6 6 8 1 1 Figur 1: Ved tidssteg N=, åpenbart ingen god tilnærming x 1 31 1.5 1.5.5 1 1.5 6 8 1 1 Figur : Ved tidssteg N=, heller ingen god tilnærming.1.5.5.1 6 8 1 1 Figur 3: Ved tidssteg N=, ser at tilnærmingen begynner å bli bra a) Vi ser fra disse figurene, at vi må opp på et tidssteg av størrelsesorden 1 for å få en god tilnærming. Det foreligger ingen øvre begrensning slik jeg ser det. Det er ikke laget et eget script til alle disse kjøringene. Har her kun endret N i programkoden. Se MATLAB-tillegg. Ved videre kjøring er det brukt N=. 3

For å finne den analytiske løsningen, må det gjøres en liten jobb. Vi har fra kompendiet at formelen for underkritisk dempning kan skrives: z(t) = e γt A cos(ω t + φ) γ = b m =.5 s 1, z() = A cos(φ) =.1 ω ω γ = 9.9875 ż(t) = A e γt ( ω sin(ω t + φ) γ cos(ω t + φ)) ż() = A ( ω sin(φ) γ cos(φ)) =. Siden A ikke kan være null (fra z()) ( ω sin(φ) γ cos(φ)) = φ = tan 1 ( γ ω ) ( = tan 1.5 ) =.5 9.9875 Dette resultatet settes inn i uttrykket for z() =.1 og løser for A z() = A cos(φ) =.1 A = = A cos(.5) =.1.1 cos(.5) =.11 Det analytiske uttrykket for svingningen er da gitt ved z(t) = e.5t.11 cos(9.9875t.5).1.5.5.1 Analytisk løsning Numerisk løsning 6 8 1 1 Figur : Analytisk og numerisk løsning plottet sammen Fra Figur ser vi at den numeriske metoden fungerer godt til å gjenskape resultatene gitt av den analytiske løsningen.

b) Her har jeg ikke egentlig klart å lage et program som kan plotte de tre grafene samtidig, men heller laget tre separate script som hver bruker forskjellige b-verdier, og plottet disse i samme plot. Det blir derfor ikke lagt ved noe MATLAB-kode for denne oppgaven, da den er tilnærmet lik som i oppgave a). Når det velges friksjonskoeffisienter b, brukes det at en kritisk dempet svingning har γ = ω, overkritisk har γ > ω og underkritisk γ < ω. Med ω = 1 kan vi ved å se på verdien for kritisk dempning, finne noen passende b-verdier. γ = b/m = ω gir at vi ved kritisk dempning får b =. Dermed vil b < gi underkritisk dempning, og b > gi overkritisk dempning..1 Kritist dempning b= Overkritisk dempning b=1 Underkritisk dempning b=.5.5.5.1 1 3 5 6 Figur 5: Kritisk, underkritisk og overkritisk dempning med tilhørende friksjons-koeffisienter b. c ).5..15.1.5.5.1.15..5 5 1 15 5 3 35 5 5 Figur 6: Tvungen svingning med masse m =.1kg, friksjonskoeffisient b =.kg/s, fjærkonstant k = 1N/m og påtrykkt kraft F =.1N. Den påtrykkte kraften varer halve tiden. 5

.7.6.5 Energi..3..1 8 8.5 9 9.5 1 1.5 11 11.5 1 Vinkelfrekvens i Hz Figur 7: Plot av vinkelfrekvens ω mot energi E = A d) Vi kan fra denne figuren lett finne f ved å se på frekvensbredden i E/..7.6 E tot.6.5. Energi.3 ω =. E tot /=.311..1 8 8. 8. 8.6 8.8 9 9. 9. 9.6 9.8 1 1. 1. 1.6 1.8 11 11. 11. 11.6 11.8 1 Vinkelfrekvens i Hz Figur 8: Plot med hjelpelinjer for oppgave d) Vi ser fra Figur 8 at ω., som tilsvarer en frekvens f =./π.67hz. Når vi vet at f = ω/π = 1/π = 1.6Hz, kan vi bruke at Q = f f = 1.6 Hz.67 Hz = 3.88 6

Denne delen ble gjort før forrige del av oppgaven, så selv om den nå er overflødig, føles det så trist å slette denne delen, da den faktisk tok ganske lang tid den også. Så for å se om grafen fra oppgave c) kan gi oss informasjon nok til å se ut en Q-verdi, tegnes noen hjelpelinjer inn i grafen:.5..15.1.5.5.1.15..5 delta t 5 1 15 5 3 35 5 5 Figur 9: Hjelpefuigur til oppgave d) Den øverste av de røde linjene indikerer tilnærmet verdi for maks utslag etter lang tids påtrykt kraft. Vi kan bruke dette til å utlede en verdi for maks amplitude A maks /e =.5/e 1 =.919. Den nederste av de røde strekene indikerer nettop denne verdien. Tiden det tar for systemet å gå fra maks utslag til A maks /e kalles t. Det viser seg dog at ved følgende formel for Q fra kompendiet, må vi bruke halve den nå avleste t for å finne Q-verdien, slik at t = t / Q = ω t = 1.5 = 5 Uten større problem, kan vi da finne frekvensresponsen til systemet ved Q = f / f, hvor f = ω/π = 1.6 Hz. f = f 1.6 Hz = =.6 Hz Q 5 Vi ser at svarene i de to forskjellige fremgangsmåtene avviker noe, men såpass lite at de tas for god fisk, begge to. 7

MATLAB-koder Selve programmet som kjører både rkr.m og dempet.m i oppgave a), b), hvor store deler er hentet fra kompendiet. 1 function dempsving15 3 global param; 5 %Konstanter m.m. 6 7 m =.1; % kg 8 k = 1.; % N/m 9 b =.1; % kg/s 1 tid = 13; % s 11 1 % Parametre for rk.m og dempet.m 13 param.a = b/m; 1 param.b = k/m; 15 param.fn = 'dempet'; 16 17 N = ; % Antal step 18 _t = tid/n; % Tidssteg i beregningene 19 y = zeros(1,n); 1 v = zeros(1,n); t = zeros(1,n); 3 z = zeros(1,n); y(1) =.1; % m 5 v(1) =.; % m/s 6 t(1) =.; % s 7 z(1) =.1; 8 9 %Lokken 3 for j = 1:N 31 [y(j+1), v(j+1), t(j+1)] = rkr(y(j),v(j),t(j), _t,param); 3 z(j+1) = exp(-(b/(*m))* t(j+1))*.11*cos((sqrt((k/m)-.5^) * t(j+1)) -.5); 33 end; 3 35 36 %plot 37 hold 'on' 38 plot(t,z,'--b') 39 plot(t,y,'-r') maks = max(y); 1 xlabel(''); ylabel(''); 3 legend('analytisk losning','numerisk losning') axis([-. tid -maks*1. maks*1.]); 5 6 return 8

Selve Runge-Kutta funksjonen. Mer eller mindre kopiert fra kompendiet. 1 function [xp,vp,tp] = rkr(xn,vn,tn, _t, param) 3 % Runge-Kutta integrator (.orden) Versjon 51. 5 ffa = eval(['@' param.fn]); % Henter opp navn paa Matlabkode for annenderivert 6 7 halv_ _t =.5* _t; 8 t_p_halv = tn + halv_ _t; 9 1 x1 = xn; 11 v1 = vn; 1 a1 = ffa(x1,v1,tn,param); 13 1 15 x = x1 + v1*halv_ _t; 16 v = v1 + a1*halv_ _t; 17 a = ffa(x,v,t_p_halv,param); 18 19 x3 = x1 + v*halv_ _t; v3 = v1 + a*halv_ _t; 1 a3 = ffa(x3,v3,t_p_halv,param); 3 tp = tn + _t; x = x1 + v3* _t; 5 v = v1 + a3* _t; 6 a = ffa(x,v,tp,param); 7 8 % Returnerer (tilnaermet) (x,v,t) i slutten av intervallet. 9 _t6 = _t/6.; 3 xp = xn + _t6*(v1 +.*(v+v3) + v); 31 vp = vn + _t6*(a1 +.*(a+a3) + a); 3 tp = tn + _t; 33 3 return; Funksjonen for den annenderieverte for en dempet svingning, tatt utgangspunkt i koden skrevet i kompendiet: 1 function dvdt = dempet(y,v,t,param) 3 dvdt = - param.a*v - param.b*y; 5 return 9

Kode for å kjøre simulering av numerisk metode på en tvungen svingning i oppgave c). 1 function dempsving15_c 3 global param; 5 %Konstanter m.m. 6 7 8 m =.1; % kg 9 k = 1; % N/m 1 b =.; % kg/s 11 omega = sqrt(k/m); 1 F =.1; % N 13 tid = 5; % s 1 15 % Parametre for rk.m og dempet.m 16 param.a = b/m; 17 param.b = k/m; 18 param.c = F/m; 19 param.d = omega*1.; param.slutt = tid/.; 1 param.fn = 'tvungen'; 3 N = e; % Antal step _t = tid/n; % Tidssteg i beregningene 5 6 y = zeros(1,n); 7 v = zeros(1,n); 8 t = zeros(1,n); 9 y(1) =.; % m 3 v(1) =.; % m/s 31 t(1) =.; % s 3 33 %Lokken 3 for j = 1:N 35 [y(j+1), v(j+1), t(j+1)] = rkr(y(j),v(j),t(j), _t,param); 36 end; 37 38 39 %plot hold 'on' 1 plot(t,y,'-b') maks = max(y); 3 xlabel(''); ylabel(''); 5 axis([-. tid -maks*1. maks*1.]); 6 7 return Funksjonen for den annenderieverte for en tvungen svingning, tatt utgangspunkt i koden skrevet i kompendiet: 1 function dvdt = tvungen(y,v,t,param) if (t < param.slutt) 3 dvdt = - param.a*v - param.b*y + param.c*cos(param.d*t); else 5 dvdt = - param.a*v - param.b*y; 6 end; 7 return; 1

MATLAB-koden for oppgave d) 1 function tvungsving15_d 3 global param; 5 %Konstanter m.m. 6 7 8 m =.1; % kg 9 k = 1; % N/m 1 b =.; % kg/s 11 omega = sqrt(k/m); 1 F =.1; % N 13 tid = 8; % s 1 15 N = e3; % Antal step 16 _t = tid/n; % Tidssteg i beregningene 17 M = ; 18 19 omega_x = linspace(omega*.8,omega*1.,m); E = zeros(1,m); 1 %Lokken 3 for i = 1:M 5 % Parametre for rk.m og dempet.m 6 7 param.a = b/m; 8 param.b = k/m; 9 param.c = F/m; 3 param.d = omega_x(i); 31 param.slutt = tid; 3 param.fn = 'tvungen'; 33 3 %Initialbetingelser settes hver gang omega endres 35 36 y = zeros(1,n); 37 v = zeros(1,n); 38 t = zeros(1,n); 39 y(1) =.; v(1) =.; 1 t(1) =.; 3 %Lokka for RK og maksverdi 5 for j = 1:N 6 [y(j+1), v(j+1), t(j+1)] = rkr(y(j),v(j),t(j), _t,param); 7 z = max(y(n-:n)); 8 end; 9 5 % Finner energien til systemet med gitt omega 51 5 E(i) = (max(z))^; 53 end; 5 55 plot(omega_x,e,'r') 56 xlabel('vinkelfrekvens i Hz') 57 ylabel('energi') 58 59 return 11