Péndulo amortiguado (generalizado)

Conozco la ecuación diferencial para el balanceo de un péndulo simple:

2 θ t 2 + ( gramo L ) pecado θ = 0

dónde:

  • L es la longitud del alambre o varilla (sin masa) a la que está unida la masa
  • gramo es la aceleración de la gravedad
  • θ es el ángulo del péndulo con la vertical

La ecuación correspondiente para un péndulo físico es:

2 θ t 2 + ( metro gramo L I C de M + metro L 2 ) pecado θ = 0 .

dónde:

  • L es la distancia entre el punto de pivote y el centro de masa del cuerpo
  • gramo es la aceleración de la gravedad
  • θ es el ángulo del cuerpo con la vertical
  • metro es la masa del cuerpo
  • I C de M es el momento de inercia del cuerpo con respecto a su centro de masa

Sin embargo, en realidad, los péndulos disminuirán su velocidad debido al amortiguamiento por fricción y la resistencia del aire. Despreciando la resistencia del aire, trayendo un coeficiente de amortiguamiento ξ cambia la ecuación de un péndulo simple a: (corrígeme si me equivoco)

2 θ t 2 + ( ξ L ) θ t + ( gramo L ) pecado θ = 0 .

Mi pregunta es, ¿ a qué se traduciría la ecuación diferencial anterior si se aplicara a un péndulo físico ? No utilice "aproximaciones de ángulo pequeño".

Respuestas (2)

Un péndulo físico como el descrito anteriormente se comporta de manera idéntica a un péndulo simple con una longitud L = I C METRO + metro L 2 metro L . Entonces, mi inclinación sería que simplemente reemplaces ambas L en tu ecuación con el L Acabo de definir. Eso es:

2 θ t 2 + ( ξ metro L I C METRO + metro L 2 ) θ t + ( metro gramo L I C METRO + metro L 2 ) pecado ( θ )

Aunque, por supuesto, esto puede ser diferente dependiendo de cómo se defina su coeficiente de amortiguamiento.

El péndulo físico y el péndulo simple tienen el mismo período cuando la relación entre sus longitudes características es la que señalas. Esta relación se obtiene comparando las dos ecuaciones de movimiento armónico simple. ¿Cómo se puede asegurar que la misma relación sigue siendo válida para péndulos amortiguados? Los sistemas son bastante diferentes.

Si el coeficiente de amortiguamiento se aproxima a cero, la ecuación diferencial que estamos buscando debe aproximarse a la segunda ecuación que escribiste (la del péndulo físico). Por lo tanto, podemos concluir que lo único que tenemos que modificar en la última ecuación para obtener la ecuación de un péndulo físico amortiguado es convertir g/L en mgL/(I_CM+mL^2).

Si queremos encontrar la ecuación de movimiento, me temo que tenemos que hacer una aproximación de ángulo pequeño (o resolver la ecuación numéricamente, lo cual es bastante tedioso).

Lo entiendo completamente. Supongo que el coeficiente de amortiguamiento no es cero. Todo lo que pido es la ecuación y no la solución.