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利用python求解物理學(xué)中的雙彈簧質(zhì)能系統(tǒng)詳解

更新時(shí)間：2017年09月29日 11:33:50 作者：caimouse

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于利用python如何求解物理學(xué)中的雙彈簧質(zhì)能系統(tǒng)的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來(lái)一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧。

前言

本文主要給大家介紹了關(guān)于利用python求解物理學(xué)中雙彈簧質(zhì)能系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，分享出來(lái)供大家參考學(xué)習(xí)，下面話不多說(shuō)了，來(lái)一起看看詳細(xì)的介紹吧。

物理的模型如下：

在這個(gè)系統(tǒng)里有兩個(gè)物體，它們的質(zhì)量分別是m1和m2，被兩個(gè)彈簧連接在一起，伸縮系統(tǒng)為k1和k2，左端固定。假定沒有外力時(shí)，兩個(gè)彈簧的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1和L2。

由于兩物體有重力，那么在平面上形成摩擦力，那么摩擦系數(shù)分別為b1和b2。所以可以把微分方程寫成這樣：

這是一個(gè)二階的微分方程，為了使用python來(lái)求解，需要把它轉(zhuǎn)換為一階微分方程。所以引入下面兩個(gè)變量：

這兩個(gè)相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的速度。通過運(yùn)算可以改為這樣：

這時(shí)可以線性方程改為向量數(shù)組的方式，就可以使用python定義了

代碼如下：

# 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, y1, x2, y2 = w 
 m1, m2, k1, k2, L1, L2, b1, 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, m2, k1, k2, L1, L2, b1, b2] 
w0 = [x1, y1, x2, y2] 
 
# Call the ODE solver. 
wsol = odeint(vectorfield, w0, t, 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);

在這里把結(jié)果輸出到文件two_springs.dat，接著寫一個(gè)程序來(lái)把數(shù)據(jù)顯示成圖片，就可以發(fā)表論文了，代碼如下：

# 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, x2, y2 = loadtxt('two_springs.dat', unpack=True) 
 
figure(1, figsize=(6, 4.5)) 
 
xlabel('t') 
grid(True) 
lw = 1 
 
plot(t, x1, 'b', linewidth=lw) 
plot(t, x2, 'g', linewidth=lw) 
 
legend((r'$x_1$', r'$x_2$'), prop=FontProperties(size=16)) 
title('Mass Displacements for the\nCoupled Spring-Mass System') 
savefig('two_springs.png', dpi=100)

最后來(lái)查看一下輸出的png圖片如下：