Ingák. Számítógépes szimulációk fn1n4i11/1. Csabai István, Stéger József

Hasonló dokumentumok
Inga. Szőke Kálmán Benjamin SZKRADT.ELTE május 18. A jegyzőkönyv célja a matematikai és fizikai inga szimulációja volt.

Bolygómozgás. Számítógépes szimulációk fn1n4i11/1. Csabai István, Stéger József

Populációdinamika. Számítógépes szimulációk szamszimf17la

Dinamikai rendszerek, populációdinamika

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Molekuladinamika. Számítógépes szimulációk szamszimf17la

3. Fékezett ingamozgás

2. Alapfeltevések és a logisztikus egyenlet

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Mechanika I-II. Példatár

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

A mérés célkitűzései: A matematikai inga lengésidejének kísérleti vizsgálata, a nehézségi gyorsulás meghatározása.

BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

Az éjszakai rovarok repüléséről

A PiFast program használata. Nagy Lajos

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek numerikus megoldása

A Richardson-extrapoláció és alkalmazása a Dániai Euleri Modellben

Nagy számú részecske szimulációja

MATLAB. 8. gyakorlat. Differenciálegyenletek

Közönséges differenciál egyenletek megoldása numerikus módszerekkel: egylépéses numerikus eljárások

Bevezetés a kaotikus rendszerekbe

AZ INSTACIONER HŐVEZETÉS ÉPÜLETSZERKEZETEKBEN. várfalvi.

Egy mozgástani feladat

Runge-Kutta módszerek

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Rezgő testek. 48 C A biciklitől a világűrig

4. Ingamozgás periodikus külső erő hatására

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

Hajlított tartó elmozdulásmez jének meghatározása Ritz-módszerrel

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 5. DC MOTOROK SZABÁLYOZÁS FORDULATSZÁM- SZABÁLYOZÁS

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Kaotikus vagy csak összetett? Labdák pattogása lépcs n Gruiz Márton, Meszéna Tamás, Tél Tamás. 1. Bevezetés. 2. A modell

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

BASH script programozás II. Vezérlési szerkezetek

Oszcillátor tervezés kétkapu leírófüggvényekkel

(kidolgozta: Dr. Nagy Zoltán egyetemi adjunktus)

Irányítástechnika (BMEGERIA35I) SOROS KOMPENZÁCIÓ. 2010/11/1. félév. Dr. Aradi Petra

Gyors neutronok detektálási technikái

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

Passzív és aktív aluláteresztő szűrők

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

Lagrange és Hamilton mechanika

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Nemlineáris jelenségek és Kao2kus rendszerek vizsgálata MATHEMATICA segítségével. Előadás: Szerda, 215 Labor: 16-18, Szerda, 215

2.4. Coulomb-súrlódással (száraz súrlódással) csillapított szabad rezgések

Fehérzajhoz a konstans érték kell - megoldás a digitális szűrő Összegezési súlyok sin x/x szerint (ez akár analóg is lehet!!!)

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

SZOFTVERFEJLESZTÉS. Földtudományi mérnöki mesterszak / Geoinformatikus-mérnöki szakirány. 2017/18 II. félév. A kurzus ebben a félévben nem indult

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Wavelet transzformáció

Az elméleti mechanika alapjai

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

A rezgések dinamikai vizsgálata, a rezgések kialakulásának feltételei

Mechatronika alapjai órai jegyzet

Bolygómozgás. Számítógépes szimulációk 1n4i11/1. Csabai István tavasz. ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék csabaiθcomplex.elte.

Determinisztikus folyamatok. Kun Ferenc

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Shift regiszter + XOR kapu: 2 n állapot

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

Zárt mágneskörű induktív átalakítók

Matematika mérnököknek 2. Ismétlés Numerikus dierenciálás Diegyenletek Fourier Matlab Projekt Desc Linkek

Eseménykezelés. Szoftvertervezés és -fejlesztés II. előadás. Szénási Sándor.

Diagnosztika Rezgéstani alapok. A szinusz függvény. 3π 2

Ipari kemencék PID irányítása

0.1. Lineáris rendszer definíciója

1. Egyensúlyi pont, stabilitás

3. jegyz könyv: Bolygómozgás

Néhány fontosabb folytonosidejű jel

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Atomok és molekulák elektronszerkezete

DINAMIKAI VIZSGÁLAT OPERÁTOROS TARTOMÁNYBAN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Numerikus módszerek 1.

EGYSZERŰ, SZÉP ÉS IGAZ

Az inga mozgásának matematikai modellezése

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Digitális technika VIMIAA01 9. hét Fehér Béla BME MIT

Digitális technika VIMIAA01 9. hét

Példa: Tartó lehajlásfüggvényének meghatározása végeselemes módszer segítségével

FI rendszerek periodikus állandósult állapota (JR1 ismétlés)

Julia halmazok, Mandelbrot halmaz

INFO DIAG DIAGNOSZTIKAI MUSZER

Számítógépes Modellezés 11. Differenciálegyenletes modellek. Inga

2. MECHANIKA 2. MECHANIKA / 1. ω +x

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

GÉPEK DINAMIKÁJA 9.gyak.hét 1. és 2. Feladat

Fourier transzformáció

Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Káosz. Bagoly Zsolt, Dobos László szeptember A csillapított harmonikus oszcillátor. arányos csillapítási tag is, így a mozgásegyenlet

Laborgyakorlat Logikai áramkörök számítógéppel segített tervezése (CAD)

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Robotika. Kinematika. Magyar Attila

Járművek lengései. Gépjármű Futóművek II. Szabó Bálint

Átírás:

Ingák Számítógépes szimulációk fn1n4i11/1 Csabai István, Stéger József ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Email: csabai@complex.elte.hu, steger@complex.elte.hu

Bevezetés A harmonikus oszcillátor a rezg mozgások idealizált változata. Az el z alkalommal bemutatott Euler-Cromer-algoritmus a legegyszer bb numerikus módszer, amelyikkel ez stabilan szimulálható. Ezen a gyakorlaton a következ javításokat végezzük el az ingamozgás példáján: realisztikusabb inga megvalósítása a csillapítás és a nagy kitérések nemlinearitásának gyelembevételével, pontosabb numerikus algoritmus használata a Runge-Kutta-módszer és az adaptív lépéshossz változtatás bevezetése. Vizualizáció OpenGL segítségével. I. Csabai (ELTE) Ingák 2 / 10

Bevezetés Közönséges dierenciálegyenletek ODE emlékeztet a tavaly tanultak, a Numerical Recipes 16. fejezete, rezg mozgás és káosz. Az Euler- és az Euler-Cromer-módszer O(τ 2 ) pontosságú, míg a 4-ed rend Runge-Kutta-módszer hibája (τ 5 ). I. Csabai (ELTE) Ingák 3 / 10

Ingák Az ideális inga mozgásegyenlete ami csillapítás gyelembe vételével írható illetve periodikus gerjeszt er mellett alakot ölt. A paraméterek jelentése d 2 θ dt 2 q: a légellenállási/súrlódási együttható, d 2 θ dt 2 = g l θ, = g l θ q dθ dt, d 2 θ = g θ dθ dt 2 l q + dt F D sin (Ω D t) FD: a küls periodikus gerjeszt er amplitúdója, ΩD: a gerjeszt er szögfrekvenciája és Ω = g/l az inga sajátfrekvenciája. Kritikus csillapításról beszélünk, ha Ω = q/2, illetve a rendszer túlcsillapított, ha Ω < q/2. A csillapítás hatására a következ tranziens viselkedés áll fenn: ( ) θ(t) = θ 0 e qt/2 sin Ω 2 q 2 /4t + φ. I. Csabai (ELTE) Ingák 4 / 10

Ingák A tranziens lecsengése után a gerjeszt er vezérli a rendszert. Kis kitérésekre (lineáris közelítés) a modell analitikusan megoldható: θ(t) = F D sin (Ω D t + φ) (Ω 2 Ω 2D )2 + (qω D ) 2. Fizikai inga (a nagy kitérések esete) d 2 θ dt 2 = g l sin (θ) dθ q + dt F D sin (ΩD t) A rendszert kaotikus mozgás jellemzi. (Pl. l = 9.8, q = 0.2, ΩD = 0.6666, FD = 1.2, θ(0) = 0.2, ω(0) = 0.) I. Csabai (ELTE) Ingák 5 / 10

Ingák Példakódok fordítása Az inga példakódja: pendulum.cpp. A kód könyvtár elemei Fejlécek : vector.hpp, odeint.hpp. Forrásfájlok: vector.cpp, odeint.cpp. Könyvtárcsomag : libcpl.a. Töltsük le a jelölés fájlokat a./ utils / könyvtárba. A kód könyvtár használata Fordítás: g++ Wall c Iutils O2 pendulum.cpp o pendulum.o F zés: g++ Wall pendulum.o Lutils lcpl o pendulum.bin vagy egymenetben: g++ Wall pendulum.cpp Iutils Lutils lcpl o pendulum.bin I. Csabai (ELTE) Ingák 6 / 10

Ingák Könyvtárcsomag preparálása Haladó programozói ismeretekkel rendelkez és érdekl d hallgatók gyelmébe. Lépjünk abba a könyvtárba, ami a forrásfájlokat és a fejléceket tartalmazza. Ha ezek eltérnek, ügyesen válasszuk meg az I kapcsolót. A forrásfájlok fordítása g++ Wall c O2 I. vector.cpp o vector.o g++ Wall c O2 I. odeint.cpp o odeint.o... Linuxos környezetben a könyvtárak neve tipikusan a lib*.a formát követi. Az object fájlok könyvtárba f zése ar srcl libcpl.a vector.o odeint.o... I. Csabai (ELTE) Ingák 7 / 10

OpenGL programok Ingyenes, nagy teljesítmény, cross-platform (win,lin,mac; DirectX-csak win) grakus könyvtár, grakus kártyákra optimalizálva, számos programozási nyelv támogatott: C, C++, Java, Fortran,... GUI (ablakok, menu, stb) nem része, kiterjesztés: GLUT. Hasznos segédanyagok Az OpenGL hivatalos honlapja, Learning guide ("Red Book"), Reference Manual, GLUT: programozási interfész az OpenGLhez, OpenGLr l magyarul. I. Csabai (ELTE) Ingák 8 / 10

OpenGL programok Fordítási segédlet Az inga kapcsán megosztott példakód f bb jellemz i: Eseményvezérelt program: a program egy végtelen ciklus, a felhasználó akcióit várja. Az eseményeket kezel függvények argumentumként kapják meg az eljárások nevét, amit az esemény bekövetkezésekor meghívnak ("callback funtions"). A program fordítása g++ Wall Iutils Lutils pendulum gl.cpp lcpl lglut `pkg cong libs gl` o pendulum gl.bin További játékos példák 3D kocka glcube.cpp Forgó négyzet I. Csabai (ELTE) Ingák 9 / 10

Feladatok 1 A példakód segítségével és megfelel átalakításával, tanulmányozzuk az ingamozgás különböz közelítéseit (matematikai, csillapított, gerjesztett, zikai) és ábrázoljuk a tipikus viselkedések kitérés-id, sebesség-id, energia-id valamint fázistér (kitérés-sebesség) diagrammjait! 2 Hasonlítsuk össze, mennyire érzékeny a legegyszer bb matematikai illetve a legösszetettebb zikai, csillapított, gerjesztett inga a választott numerikus dierenciálegyenlet megoldó módszerekre, úgy mint Euler-módszer, Euler-Cromer-módszer, Runge-Kutta-módszer lépéshossz változtatással, illetve egyszer Runge-Kutta-módszer. 3 A wikipedia cikk alapján alakítsuk át a mintakódot úgy, hogy kett s ingát szimuláljon! Vizsgáljuk a trajektóriákat és fázisteret különböz paraméter-beállítások mellett, illetve próbáljuk meg rekonstruálni az utolsó ábrán látható átbillenési fázisteret! A jegyz könyvet PDF formátumban küldjük be a szamszim@gmail.com címre! I. Csabai (ELTE) Ingák 10 / 10