【数学建模】——力学模型建立的基本理论及方法
数学建模中力学模型建立的基本理论和方法，包括牛顿力学、能量守恒定律、动量守恒定律以及刚体力学，介绍了自由体图、平衡方程、运动方程、能量法和动量法等基本方法，并通过具体图例分析了简单摆模型的摆动运动，展示了从问题描述到结果验证的力学模型建立步骤。
目录
专栏：数学建模学习笔记
一、基本理论
1. 牛顿力学
牛顿力学是经典力学的基础，由英国科学家艾萨克·牛顿在17世纪提出。它包括牛顿的三大定律，这些定律描述了物体的运动行为及其与施加在其上的力的关系。
1.1 牛顿第一定律（惯性定律）
牛顿第一定律，也称为惯性定律，表明如果一个物体没有受到外力作用，或者它所受的所有外力的合力为零，那么它将保持静止状态或做匀速直线运动。这一定律揭示了物体保持其运动状态的自然倾向，即惯性。
-
实例说明：在光滑的冰面上推一个冰球，如果没有外力阻止它，冰球将继续以恒定速度滑行。这是因为冰球的惯性使它保持原来的运动状态，直到外力（如摩擦力或碰撞）改变这种状态。
-
1.2 牛顿第二定律（动力学定律）
1.3 牛顿第三定律（作用反作用定律）
2. 能量守恒定律
能量守恒定律是物理学中最基本和最重要的定律之一。它指出，在一个孤立系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，而是从一种形式转化为另一种形式，总能量保持不变。
2.1 动能和势能
2.2 能量守恒
-
总能量：系统的总能量是动能和势能的和。在没有外力做功的情况下，总能量保持不变。
-
实例说明：考虑一个摆动的简单摆。在摆的最高点，摆球的速度为零，动能为零，势能最大。当摆球经过最低点时，势能最小，动能最大。能量在动能和势能之间转化，但总能量保持不变。
3. 动量守恒定律
动量守恒定律指出，如果系统不受外力或外力的合力为零，那么系统的总动量保持不变。动量是物体质量和速度的乘积，表示为：p=mv，其中 p 是动量，m 是质量，v 是速度。
3.1 线动量和角动量
-
线动量：线动量是物体由于直线运动而具有的动量。
-
角动量：角动量是物体由于旋转运动而具有的动量。公式为：L=r×p，其中 L 是角动量，r 是位置矢量，p 是线动量。
3.2 动量守恒
- 实例说明：在碰撞或爆炸过程中，如果不考虑外力，系统的总动量保持不变。例如，在弹性碰撞中，两物体碰撞前后的总动量相等。
4. 刚体力学
刚体力学研究刚体在外力作用下的运动规律。刚体是指在外力作用下，形状和体积不发生变化的物体。刚体的运动可以分为平动和转动。
4.1 平动和转动
平动：平动是刚体所有点具有相同的速度和加速度的运动。
转动：转动是刚体绕固定轴旋转的运动。刚体的转动状态可以用角速度和角加速度来描述。
4.2 刚体的动力学方程
-
平动方程：刚体的平动方程与质点的动力学方程类似，可以用牛顿第二定律描述。
-
转动方程：刚体的转动方程由转动惯量和角加速度描述。公式为：τ=Iα，其中 τ 是力矩，I 是转动惯量，α 是角加速度。
二、基本方法
1. 自由体图
自由体图是力学分析中常用的方法，用于表示物体所受的所有力和力矩。通过绘制自由体图，可以清晰地分析物体的受力情况，并为建立力学方程提供依据。
1.1 自由体图的绘制步骤
- 选择研究对象：确定需要分析的物体，称为自由体。
- 隔离物体：将自由体从周围环境中隔离出来，只保留与自由体相关的力。
- 标出力和力矩：在自由体图上标出所有作用在自由体上的力和力矩，包括重力、支持力、摩擦力、拉力等。
- 确定坐标系：选择合适的坐标系，通常为直角坐标系，以便于分析力的分解和合成。
1.2 实例说明
- 实例：考虑一个斜面上的滑块。滑块受重力 mg、斜面的支持力 N 和摩擦力 f 作用。绘制自由体图时，将滑块从斜面上隔离出来，标出 mg 的方向（竖直向下），N 的方向（垂直斜面向上），以及 f 的方向（沿斜面向上或向下，取决于摩擦力的方向）。
2. 平衡方程
平衡方程用于分析静止或匀速直线运动的物体。对于静止物体，其受力的合力为零；对于匀速直线运动的物体，其受力的合力也为零。
2.1 力的平衡方程
2.2 力矩的平衡方程
2.3 实例说明
3. 运动方程
运动方程用于描述物体的加速度、速度和位移。通过建立运动方程，可以分析物体在受力作用下的运动规律。
3.1 牛顿第二定律
3.2 实例说明
4. 能量法
能量法利用能量守恒定律分析系统的能量变化，适用于求解系统的速度、位移等问题。
4.1 动能和势能
- 动能：物体由于运动而具有的能量。
- 势能：物体由于位置或状态而具有的能量。
4.2 能量守恒定律
- 总能量守恒：在没有外力做功的情况下，系统的总能量保持不变。
4.3 实例说明
- 实例：考虑一个从高处滑下的滑块。在滑下过程中，滑块的重力势能转化为动能。利用能量守恒定律，可以计算滑块到达底部时的速度。
5. 动量法
动量法利用动量守恒定律分析碰撞、爆炸等问题，适用于求解系统的速度、质量分布等问题。
5.1 线动量和角动量
- 线动量：物体由于直线运动而具有的动量。
- 角动量：物体由于旋转运动而具有的动量。
5.2 动量守恒定律
- 总动量守恒：在没有外力作用时，系统的总动量保持不变。
5.3 实例说明
- 实例：考虑两物体碰撞后粘在一起的情况。在碰撞过程中，总动量保持不变。通过动量守恒定律，可以计算碰撞后两物体的速度。
三、力学模型建立步骤
1. 问题描述
力学模型的建立首先需要明确研究对象和研究目标。这包括确定需要建立的力学模型的范围和内容，并描述实际问题的背景和具体要求。
1.1 实例说明
- 实例：研究一辆汽车在不同路面条件下的行驶稳定性。研究对象是汽车，研究目标是分析汽车在湿滑路面和干燥路面上的行驶表现。
2. 简化和假设
为了便于建模和求解，通常需要对实际问题进行合理的简化和假设。这包括忽略次要因素，考虑主要因素，以及对物体的形状、质量分布等进行简化。
2.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，可以假设汽车为刚体，忽略空气阻力和轮胎的细微变形，以简化模型。
3. 建立坐标系
选择合适的坐标系是力学模型建立的基础。常用的坐标系包括直角坐标系和极坐标系。通过建立坐标系，可以方便地描述物体的位置、速度和加速度。
3.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，可以选择直角坐标系，以便于描述汽车的平移和旋转运动。
4. 受力分析
受力分析是建立力学模型的重要步骤。通过绘制自由体图，标出物体所受的所有外力和力矩，可以清晰地分析物体的受力情况。
4.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，需要分析汽车受重力、支持力、摩擦力和空气阻力的作用，并绘制相应的自由体图。
5. 列方程
根据力的平衡方程、运动方程、能量守恒方程或动量守恒方程，列出描述系统运动的数学方程。这是求解力学问题的关键步骤。
5.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，可以根据牛顿第二定律建立运动方程，分析汽车在不同路面条件下的加速度和速度变化。
6. 求解方程
选择合适的数学方法求解方程，如解析法、数值法等，得到物体的运动规律或系统的状态。
6.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，可以利用数值方法求解运动方程，得到汽车在湿滑路面和干燥路面上的行驶轨迹和稳定性。
7. 结果验证
通过实验数据或实际情况验证模型的正确性，必要时对模型进行修正和改进。验证结果是确保模型准确性和可靠性的关键步骤。
7.1 实例说明
- 实例：在研究汽车行驶稳定性时，可以通过实车测试验证模型的预测结果，并根据测试结果对模型进行修正和改进。
四、实例分析
例子：简单摆模型
1. 问题描述
简单摆模型是研究悬挂在固定点的摆球在重力作用下的摆动运动。研究目标是分析摆球的摆动周期。
1.1 实例说明
- 实例：分析一个长度为1米的摆线悬挂的摆球，计算其摆动周期。
2. 简化和假设
为了便于建模，做以下简化和假设：
- 摆线是不可伸长的。
- 摆球是质点，不考虑其大小和形状。
- 忽略空气阻力和摩擦力。
2.1 实例说明
- 实例：在上述假设下，分析摆球的摆动运动。
3. 建立坐标系
选择极坐标系，固定点为原点，摆球的位置由摆长 L 和摆角 θ 表示。
3.1 实例说明
- 实例：在极坐标系下，摆球的位置可以用极径 L 和极角 θ 描述。
4. 受力分析
摆球受重力 mg 和绳子的张力 T 作用。绘制自由体图，标出重力和张力的方向。
4.1 实例说明
- 实例：在自由体图中，重力 ��mg 垂直向下，张力 �T 沿摆线方向向上。
5. 列方程
根据牛顿第二定律，建立摆球的运动方程。
5.1 实例说明
6. 求解方程
求解简谐运动方程，得到摆动周期。
6.1 实例说明
7. 结果验证
通过实验测量摆的周期，验证模型的准确性。必要时，考虑空气阻力、绳子伸长等修正因素。
7.1 实例说明
- 实例：通过实际测量摆动周期，验证理论计算的结果。如有偏差，分析原因并进行模型修正。
图例分析：简单摆模型的摆动运动
1. 问题描述
研究一个悬挂在固定点的简单摆的摆动周期，分析其在小角度摆动情况下的角度随时间的变化。
2. 简化和假设
- 摆线是不可伸长的。
- 摆球是质点，不考虑其大小和形状。
- 忽略空气阻力和摩擦力。
- 初始角度较小，可以使用小角度近似 sin(θ)≈θ。
3. 建立坐标系
选择极坐标系，固定点为原点，摆球的位置由摆长 L 和摆角 �θ 表示。
4. 受力分析
摆球受重力 mg 和绳子的张力 T 作用。
5. 列方程
根据牛顿第二定律，建立摆球的运动方程：
6. 求解方程
求解简谐运动方程，得到摆动周期：
7. 结果验证
通过实验测量摆的周期，验证模型的准确性。
图例解释
上图展示了摆球在初始角度为0.2弧度（约11.5度）下的摆动角度随时间的变化情况。时间范围从0秒到10秒，共1000个时间点。图中，横轴表示时间（单位：秒），纵轴表示摆球的摆动角度（单位：弧度）。
根据小角度近似下的简谐运动方程，摆球的角度随时间呈现出简谐振荡的特性，角度变化遵循余弦函数形式。图中的曲线显示了摆球在固定周期内反复摆动的情况。
具体分析
- 周期：摆球的摆动周期可以从图中观察到一个完整的周期。根据理论计算，摆长为1米的摆的周期约为2.01秒。
- 振幅：初始角度为0.2弧度，图中显示的最大摆动角度接近0.2弧度，符合初始条件。
- 运动规律：图中的曲线表现出规律的简谐振荡，验证了小角度近似下的理论模型。
总结
数学建模中力学模型建立的基本理论和方法，包括牛顿力学、能量守恒定律、动量守恒定律以及刚体力学，介绍了自由体图、平衡方程、运动方程、能量法和动量法等基本方法，并通过具体图例分析了简单摆模型的摆动运动，展示了从问题描述到结果验证的力学模型建立步骤。
开放原子开发者工作坊旨在鼓励更多人参与开源活动，与志同道合的开发者们相互交流开发经验、分享开发心得、获取前沿技术趋势。工作坊有多种形式的开发者活动，如meetup、训练营等，主打技术交流，干货满满，真诚地邀请各位开发者共同参与！
更多推荐
50
0- 0
已为社区贡献18条内容
所有评论(0)