利用python求解物理学中的双弹簧质能系统详解
发布时间：2020-12-17 08:02:44 所属栏目：Python 来源：网络整理
导读：前言 本文主要给大家介绍了关于利用python求解物理学中双弹簧质能系统的相关内容，分享出来供大家参考学习，下面话不多说了，来一起看看详细的介绍吧。 物理的模型如下： 在这个系统里有两个物体，它们的质量分别是m1和m2，被两个弹簧连接在一起，伸缩系统为
|
前言 本文主要给大家介绍了关于利用python求解物理学中双弹簧质能系统的相关内容，分享出来供大家参考学习，下面话不多说了，来一起看看详细的介绍吧。 物理的模型如下：
在这个系统里有两个物体，它们的质量分别是m1和m2，被两个弹簧连接在一起，伸缩系统为k1和k2，左端固定。假定没有外力时，两个弹簧的长度为L1和L2。 由于两物体有重力，那么在平面上形成摩擦力，那么摩擦系数分别为b1和b2。所以可以把微分方程写成这样：
这是一个二阶的微分方程，为了使用python来求解，需要把它转换为一阶微分方程。所以引入下面两个变量：
这两个相当于运动的速度。通过运算可以改为这样：
这时可以线性方程改为向量数组的方式，就可以使用python定义了 代码如下：
# Use ODEINT to solve the differential equations defined by the vector field
from scipy.integrate import odeint
def vectorfield(w,t,p):
"""
Defines the differential equations for the coupled spring-mass system.
Arguments:
w : vector of the state variables:
w = [x1,y1,x2,y2]
t : time
p : vector of the parameters:
p = [m1,m2,k1,k2,L1,L2,b1,b2]
"""
x1,y2 = w
m1,b2 = p
# Create f = (x1',y1',x2',y2'):
f = [y1,(-b1 * y1 - k1 * (x1 - L1) + k2 * (x2 - x1 - L2)) / m1,y2,(-b2 * y2 - k2 * (x2 - x1 - L2)) / m2]
return f
# Parameter values
# Masses:
m1 = 1.0
m2 = 1.5
# Spring constants
k1 = 8.0
k2 = 40.0
# Natural lengths
L1 = 0.5
L2 = 1.0
# Friction coefficients
b1 = 0.8
b2 = 0.5
# Initial conditions
# x1 and x2 are the initial displacements; y1 and y2 are the initial velocities
x1 = 0.5
y1 = 0.0
x2 = 2.25
y2 = 0.0
# ODE solver parameters
abserr = 1.0e-8
relerr = 1.0e-6
stoptime = 10.0
numpoints = 250
# Create the time samples for the output of the ODE solver.
# I use a large number of points,only because I want to make
# a plot of the solution that looks nice.
t = [stoptime * float(i) / (numpoints - 1) for i in range(numpoints)]
# Pack up the parameters and initial conditions:
p = [m1,b2]
w0 = [x1,y2]
# Call the ODE solver.
wsol = odeint(vectorfield,w0,args=(p,),atol=abserr,rtol=relerr)
with open('two_springs.dat','w') as f:
# Print & save the solution.
for t1,w1 in zip(t,wsol):
out = '{0} {1} {2} {3} {4}n'.format(t1,w1[0],w1[1],w1[2],w1[3]);
print(out)
f.write(out);
在这里把结果输出到文件two_springs.dat，接着写一个程序来把数据显示成图片，就可以发表论文了，代码如下：
# Plot the solution that was generated
from numpy import loadtxt
from pylab import figure,plot,xlabel,grid,hold,legend,title,savefig
from matplotlib.font_manager import FontProperties
t,x1,xy,y2 = loadtxt('two_springs.dat',unpack=True)
figure(1,figsize=(6,4.5))
xlabel('t')
grid(True)
lw = 1
plot(t,'b',linewidth=lw)
plot(t,'g',linewidth=lw)
legend((r'$x_1$',r'$x_2$'),prop=FontProperties(size=16))
title('Mass Displacements for thenCoupled Spring-Mass System')
savefig('two_springs.png',dpi=100)
最后来查看一下输出的png图片如下：
总结 以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对编程小技巧的支持。 （编辑：李大同） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
