當勻速搖動跳繩時,跳繩在相對穩定時的曲線是什麼樣的?能用方程來描述嗎?

時間 2021-06-02 02:58:25

1樓:Probe

這個用變分法應該可以得到曲線的方程。

首先假設跳繩的角速度較快,離心加速度的量級大於重力加速度,也就是

做這個假設是因為如果同時考慮兩個加速度的話,兩者的方向不一致(重力加速度永遠向下,離心加速度永遠指向跳繩彎曲的方向),就不可能會有穩態存在,問題就不好分析了。

跳繩微元的離心勢能:

跳繩的總勢能為:

這是個泛函,要獲得總勢能極值的標準操作是使用 尤拉-拉格朗日方程 獲得該問題的微分方程,不過在這裡我們可以採取另一種更簡單的操作:

定義 ,顯然 不顯含 ,因此該問題存在首次積分:

代入後得到:

看起來很好積......其實根本積不出來,只好求助 Wolfram Alpha:

好複雜......其中 是第一類不完全橢圓積分,總之就是定義超複雜......

然後我們就可以寫出穩定時曲線的表示式:

其中 是待定係數,需要知道邊界條件 才能求出來。

雖然表示式複雜,但是阻擋不了我們畫圖的決心,令 ,上面的一大坨簡化為:

當然最後畫圖要取實部,還要旋轉90°,」跳繩線「大概長這樣:

藍色線就是」跳繩線「,另外半邊是對稱的,請自行腦補......

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