الکترومغناطیس کاربردی

الکترومغناطیس کاربردی

مطالعه‌ی ‌عددی تأثیر شرایط اولیه بر رفتار آونگ فیزیکی دوگانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، دانشگاه پیام نور،سنندج، ایران
2 دانشیار ، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران
چکیده
آونگ فیزیکی دوگانه به عنوان مدل مکانیکی، پدیده‌های پیچیده سیستم‌های دینامیکی غیرخطی از جمله رفتار آشوبناک را به خوبی نشان می‌دهد. در این مطالعه، با استفاده از روش اجزاء محدود (FEM) و شبیه‌سازی‌های عددی، حساسیت بالای رفتار این سیستم به شرایط اولیه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که تغییرات در پارامترهای اولیه مانند زاویه انحراف، طول و جرم آونگ بیرونی، می‌تواند منجر به مسیرهای حرکتی غیرقابل پیش‌بینی و پیچیده شود. برای تحلیل دقیق‌تر، ابتدا با استفاده از مکانیک لاگرانژی، یک مدل ریاضی برای آونگ دوگانه فیزیکی ایجاد شد. سپس، با استفاده از محاسبات عددی و ابزارهای تحلیلی مانند تبدیل فوریه سریع (FFT) و سطح پوانکاره، تأثیر تغییر شرایط اولیه به طور جامع مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاصل نشان داد که افزایش زاویه انحراف اولیه آونگ بیرونی در مقادیر مختلف (12، 30، 60، 88، 92 و 128 درجه)، و همچنین افزایش جرم و طول میله اتصال دهنده دوم، باعث تغییر رفتار سیستم از حالت دوره‌ای به حالت‌های شبه‌دوره‌ای و آشوبناک می‌شود. این یافته‌ها بر اهمیت شرایط اولیه در پیش‌بینی رفتار سیستم‌های غیرخطی تاکید می‌کند و بینش‌های ارزشمندی در زمینه دینامیک غیرخطی ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical study of the effect of initial conditions on the behavior of a double physical pendulum

نویسندگان English

Abdol Jabbar Shokri 1
Behrooz Malek-Alkalmi 2
1 Assistant Professor, Payam Noor University, Sanandaj, Iran
2 Associate Professor, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده English

The double physical pendulum serves as a mechanical model that effectively demonstrates the complex phenomena of nonlinear dynamic systems, including chaotic behavior. In this study, using the finite element method (FEM) and numerical simulations, the high sensitivity of the system’s behavior to initial conditions has been investigated. The results show that changes in initial parameters such as the angle of deviation, length, and mass of the outer pendulum can lead to unpredictable and complex trajectories. For a more detailed analysis, first, a mathematical model for the double physical pendulum was created using Lagrangian mechanics. Then, using numerical calculations and analytical tools such as Fast Fourier Transform (FFT) and Poincaré surface, the effect of changing initial conditions was comprehensively studied. The results showed that increasing the initial deviation angle of the outer pendulum at different values (12, 30, 60, 88, 92, and 128 degrees), as well as increasing the mass and length of the second connecting rod, causes the system’s behavior to change from periodic to quasi-periodic and chaotic states. These findings emphasize the importance of initial conditions in predicting the behavior of nonlinear systems and provide valuable insights in the field of nonlinear dynamics.

کلیدواژه‌ها English

Double pendulum
initial conditions
simulation
Poincaré surface
fast Fourier transform
chaos

Smiley face

 

[1]     R. G. Newton, Galileo’s pendulum. Harvard University Press, 2009.
[2]     M. R. Matthews, C. Gauld, A. J. S.Stinner, Education, The pendulum: Its place in science, culture and pedagogy, vol.13 p., 261-277, 2004.
[3]     M. R. Matthews, C. F. Gauld, A. Stinner, The pendulum: Scientific, historical, philosophical and educational perspectives. Springer Science & Business Media, 2005.
[4]     Pook, L. P., Understanding pendulums: a brief introduction. Springer Science & Business Media, vol. 12, 2011.
[5]     T. Stachowiak, T. J. C. Okada, A numerical analysis of chaos in the double pendulum, Chaos, Solitons & Fractals Vol. 29  pp 417-422, 2006.
[6]      H. Jain, A. Ranjan, K. Gupta, Analysis of chaos in double pendulum, in: 2013 6th International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, IEEE, 2013
[7]      A.M. Calvão, T.J.P. Penna, The double pendulum: a numerical study, Eur. J. Phys. 36 , 2015.
[8]      N. Sun, Y. Wu, X. Liang, Y. Fang, Nonlinear stable transportation control for double-pendulum shipboard cranes with ship-motion-induced disturbances, IEEE Trans. Industr. Electron. 66 (2019) 9467–9479.
[9]     H. Nagashima, Y. Baba, M. Nakahara, Introduction to chaos: physics and mathematics of chaotic phenomena. CRC Press, 2019.
[10]    J. L. D. Madrid, P. O. Henao, E. G. Querubín, In Dynamic modeling and simulation of an underactuated system, Journal of physics: conference series, IOP Publishing, 2017.
[11]   V. Tran,  E. Brost,  M. Johnston, J. Jalkio, Predicting the behavior of a chaotic pendulum with a variable interaction potential, 23 (3), 033103, 2013.
[12]   S. Maiti, J. Roy, A. K. Mallik, J. K. Bhattacharjee, Nonlinear dynamics of a rotating double pendulum, Physics Letters A vol.380 pp. 408-412, 2016.
[13]   J. Roy, A. K. Mallik, J. K. Bhattacharjee, Role of initial conditions in the dynamics of a double pendulum at low energies, vol.73 pp. 993-1004, 2013.
[14]   A. B. Shokri, B. Malek-Alkalmi, H. Heidari, M. Debiqian, S. O. Sobhani, Investigation of Frequency Spectrum and Poincaré Surfaces in Double Pendulum, Iranian Journal of Applied Physics, pp.75-94, 2023, (In Persian).
[15]   G. P. Tolstov, Fourier series Courier Corporation, Dover Publication, INC, New York, 2012.
[16]    L. Smith, Chaos: a very short introduction. OUP Oxford: 2007.
[17]   I. Kovacic, M. Zukovic, D. Radomirovic, Normal modes of a double pendulum at low energy levels, Nonlinear Dyn, vol. 99 pp.1893–1908, 2020.
[18]    W. Greiner, & D. A. Bromley, Classical mechanics: systems of particles and Hamiltonian dynamics: Springer, 2003
دوره 13، شماره 2 - شماره پیاپی 31
پاییز و زمستان
اسفند 1404
صفحه 1-15

  • تاریخ دریافت 03 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 07 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 25 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 11 آبان 1404