oscila2 - Sites da comunidade do IF-UFRJ
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MOVIMENTO OSCILATÓRIO E CAOS Do mais simples para o mais complicado ... • MHS • Ü • Amortecimento • Ü • Não linearidade • Ü • Caos Movimento Harmônico Simples θ T Mais cedo: Pêndulo simples P Movimento Harmônico Simples T θ Agora: pêndulo • não-linear a sen(θ) ≠ θ • forçado aFDsen(ΩDt) • amortecido a-b dθ/dt P Decompondo PR=T ΣFR=0 ΣFθ = Pθ+Fext +Famort 2 d s Mas s = lθ Fθ = m 2 dt 2 dθ Fθ = ml 2 dt Ao longo de θ Pθ =-mg sen(θ) Fext= FDsen(ΩDt) ΣFθ = Pθ+Fext +Famort 2 d θ Fθ = 2 dt ml Famort= -b dθ/dt Definindo α ≡ FD/ml e q ≡ b/ml Juntando d 2θ g dθ = − sen(θ ) − q + α sen(Ω Dt ) 2 dt l dt 1 equação diferencial não-linear não-homogênea de 2a ordem Solução desconhecida! Aplicar o Método de Euler-Cromer Transformar 1 equação diferencial de 2a ordem em 2 equações diferenciais de 1a ordem Como aplicar o Método de Euler-Cromer? dθ ω (t ) = dt 2 equações de 1a ordem dω g dθ = − sen(θ ) − q + α sen(Ω Dt ) dt l dt Iterando θ dθ ω (t ) = dt dθ θ (t + Δt ) − θ (t ) = dt Δt dθ θ (t + Δt) ≅ θ (t) + Δt = θ (t) + ω (t)Δt dt θi+Δt= θi + ωi+1Δt Igual a aula anterior Iterando ω dω g dθ = − sen(θ ) − q + α sen(Ω Dt ) dt l dt dω ω (t + Δt ) − ω (t ) = dt Δt dω ω (t + Δt ) ≅ ω (t ) + Δt dt gsen(θ (t )) dθ ω (t + Δt ) ≅ ω (t ) − Δt − q Δt + αsen(Ω Dt )Δt l dt Iterando ω gsen(θ (t )) dθ ω (t + Δt ) ≅ ω (t ) − Δt − q Δt + αsen(Ω Dt )Δt l dt ωi+Δt= ωi – (g/l)senθiΔtqωiΔt + αsen(ΩDti) Δt diferente do caso anterior O programa Inicializa Itera (até nτ) Imprime ω0=... e θ0=... ωi+Δt= ωi - (g/l)senθiΔt -qωiΔt+αsen(ΩDti) Δt θi+Δt= θi + ωi+1Δt Print, write ... Testando o programa l =1m g = 9,8 m/s2 Δt= 0,04 s ω0= 0 α= 0 l τ = 2π ≈ 2s g q= 0 θ0=0,2 rad sen(θ0)=0,199 ⇒ sen(θ0)≅ θ0 Rodando o programa 0.3 0.2 θ(rad) θ0=0,2 rad sen(θ0)= 0,199 ⇒ sen(θ0)≅ θ0 θ senθ 0.1 0.0 Ok ! -0.1 -0.2 0 2 4 6 t(s) 8 10 Amortecimento q=3.125 q=6.25 q=12.5 q=0 q=1.5625 0.3 Sub-crítico θ(rad) 0.2 0.1 0.0 crítico -0.1 -0.2 0 2 4 t(s) 6 8 Amortecimento Energia 0,20 0,15 q=0 q=1.5625 q=12.5 0,10 0,05 0,00 0 2 4 t(s) 6 Força externa l =9,8 m g = 9,8 m/s2 0,2 q=0.625 0,1 θ τ = 2π Δt = 0,04 s 0,0 -0,1 0 10 20 t(s) transiente ω0= 0 θ0= 0,2 q= 0,625 α= 0,0 30 Força externa 5 α=0 α=0.5 α=1.2 q=0.625 4 3 q= 0.625 2 α= 0 α= 0.5 α= 1.2 θ 1 0 -1 -2 -3 0 10 transiente 20 t(s) 30 40 Força externa l = 9.8 m g = 9,8 m/ s2 Δt = 0,04 4 q=0.02 2 s q = 0.02 θ(rad) 0 -2 θ0= 0.2 ω0= 0 -4 -6 α=0 α=0.5 α=1.2 -8 -10 0 10 20 30 t(s) 40 50 α = 1.2 60 CAOS! Força externa l = 9.8 m g = 9,8 m/ s2 Δt = 0,04 s 3 q=0.5 2 q = 0.5 ω(rad/s) 1 0 θ0= 0.2 -1 -2 α=0 α=0.5 α=1.2 -3 -4 0 10 20 ω0 = 0 α = 1.2 30 t(s) 40 50 60 CAOS! Caos Um sistema pode obedecer às leis determinísticas da física e ainda assim ter seu comportamento não predizível devido a uma extrema sensibilidade às condições iniciais Esse sistema é dito caótico Trajetória no espaço de fase 0.8 θ0= 0.2 0.6 0.4 q= 0.5 ω(rad/s) 0.2 0.0 α= 0.5 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 θ(rad) 0.4 0.6 0.8 1.0 Sem caos Trajetória no espaço de fase 3 θ0= 0.2 2 q= 0.5 ω(rad/s) 1 0 α= 1.2 -1 -2 -3 -10 -8 Tf=60s -6 -4 -2 θ(rad) 0 2 4 Caos Caos 3 Tf = 360s 2 Força externa intensa: |θ| > π ω(rad/s) 1 0 -1 θ è θ ± 2π -2 -3 -20 -15 -10 -5 θ(rad) 0 5 Sensibilidade às condições iniciais 1E-3 α= 0.5 1E-4 |Δθ| 1E-5 Δθ(t =0) = 0.001 1E-6 1E-7 Δθ ~ eλt λ ~ -0.25 < 0 1E-8 1E-9 1E-10 0 10 20 t(s) 30 40
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