从系列:在MATLAB中求解ode
克里夫·莫勒尔,MathWorks公司
扔用三种不同长度边的矩形对象(如谷类食品盒),到空气中。你可以得到箱稳定地辗其最长轴,或关于它的短轴。但是,如果你试着让它翻滚吧中轴线,你会发现运动是不稳定的。的角动量的模型是三个差分方程的非线性系统。有六个关键点:对应于所述长轴和短轴的四个是稳定的;对应于中间轴的两个是不稳定的。
这里是一个滚筒式角动量的微分方程。试着把一本书,或一个盒子,或任何三维空间都不同的直线物体,扭曲地抛向空中,使其翻滚。
你可以绕它最长的轴旋转,或者绕它最短的轴旋转。但是你不能绕它的中轴旋转。让我们用数字来检验这个现象。
这里是匿名函数定义三个一阶微分方程的那些系统。现在我要开始的初始条件是附近的第一临界点。1,0,0是一个临界点。而且我要采取0.2倍的随机数,排序是在临界点附近,然后归一化,所以它有长度1。
所以最大的分量是第一个分量。另外两个虽然小,但也不是太小。这是一个简单的数值问题。这里没有刚度。我要用ODE 23,从0到10积分,这是解。
蓝色部分是第一位的,它保持接近1,其他两个是周期性的,围绕0让我们回到旋转,并采取另一种起始条件。这又是。
另外两个分量很小。当我们对它积分时,蓝色的分量在1附近保持不变。另外两个人几乎一动也不动。
现在我要去第三临界点,0,0,1,做同样的事情。就拿附近有一个随机数。使用ODE 23.现在接近一个黄色成分停留。而另外两个移动定期在0附近。
运行一遍。第三个分量接近1。另外两个不是太大。运行ODE 23。另一个分量保持在1附近。另外两个周期性地绕0旋转。
现在我们来看中间的临界点。我们要试着让盒子绕着中间轴旋转。第二个分量在1附近。现在我们看到了完全不同的行为。
这西耶娜组件不留接近1.它的股价下跌接近-1,回来了。让我们整合在一个较长时期,所以我们可以看到该行为。
因此,它是周期性的。但它下降到-1,回来为1,其他两个移动大振幅0附近所以这是一个中间的临界值的不稳定。
让我们再这样做。一样。1下降到-1,并备份。这是周期性的。这些解决方案金宝搏官方网站都是周期性的。但是,这中间的关键点是不稳定的。现在我想以不同的方式来查看这些,图形。
微分方程有三个关键点。任何解决金宝搏官方网站方案启动恰好这些初始条件呆在那里。但是,如果你开始接近初始条件下会发生什么?
那么事实证明,x和z是稳定的临界点。但是,y是一个不稳定的临界点。如果角动量是x附近或接近Z,它停留在那儿附近。但是,如果它开始接近Y,它迅速移开。
你可以把x看做短轴,z是长轴。短轴附近的旋转是稳定的。并在长轴附近旋转稳定。但是靠近中轴的旋转是不稳定的。
我们可以从下图中看到。结果是,如果一个解从一个范数为1的初始条件开始,它就会保持范数为1。所以解在单位球面上。
这是我们与我们的三个关键点,X,Y和Z单位份额。如果这是地球,Z将是北极。轴,其中第0子午线穿过赤道。这是在东大西洋,西非的有点过。Ÿ将在90经线穿过赤道。这是一个在印度洋苏门答腊岛以西。
如果我们从x附近的初始条件开始,解绕x旋转,这是绕短轴的稳定旋转。如果我们从z附近的初始条件开始,解绕z旋转,这是绕长轴的稳定旋转。
但是,如果我们开始接近Y,解起飞,去到附近-y,转身,回来为y。周期的,但去世界各地的清晰。最终证明,这实际上是一个圈,围绕x轨道。
如果我们上升到y上方一点,我们得到一个绕z的轨道,下降到y下方一点,我们得到一个绕-z的轨道。在y的右边,有一个绕-x旋转的轨道。
让我们放大一点点。而且我们可以看到,y是一个典型的不稳定的临界点。让我们通过绘制一些轨道的结论。