Rotierendes Pendel

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2 Rotierendes Pendel (12) a Lagrangefunktion L=TUmit T=12mx2und U=mgxyda das Koordinatensystem gedreht ist. x=(acos(ωt)+Lsin(φ)asin(ωt)+Lcos(φ))somit folgt x˙=(aωsin(ωt)+Lφ˙cos(φ)(1)(aωcos(ωt)+Lφ˙sin(φ)))dann ist

x˙2=a2ω2sin2(ωt)+L2φ˙2cos2(φ)aLωφ˙cos(φ)sin(ωt)+a2ω2cos2(ωt)+L2φ˙2sin2(φ)+aLωφ˙sin(φ)cos(ωt)=a2ω2+L2φ˙2+aLωφ˙(sin(φ)cos(ωt)cos(φ)sin(ωt))=a2ω2+L2φ˙2+aLωφ˙sin(φωt)
L=m2(a2ω2+L2φ˙2+aLωφ˙sin(φωt))+mg(asin(ωt)+Lcos(φ))

b Daraus erhält man die Bewegungsgleichungen in dem man die Euler - Lagrangegleichung anwendet:

ddtLq=Lqalso
ddtLφ=mL2φ¨+m2aLω(φ˙ω)cos(φωt)
Lφ=m2aLωφ˙cos(φωt)mgLsin(φ)
m2aLωφ˙cos(φωt)mgLsin(φ)mL2φ¨+m2aLω(φ˙ω)cos(φωt)=0
φ¨mL2φ˙maLωcos(φωt)+mgLsin(φ)m2aLω2cos(φωt)=0

c Für kleine Auslenkungen gilt:

sin(φ)φ,cos(φωt)cos(ωt)=cos(ωt)
φ¨mL2φ˙maLωcos(ωt)+mL(φgaω2Lcos(ωt)2)=0

Mit ω2agfolgt:

φ¨mL2φ˙maLωcos(ωt)+mLφg=0φ¨Lφ˙aωcos(ωt)+φg=0

Die (homogene) Lösung ist nun:

φ¨φ˙aLωcos(ωt)+gφ=0 nach komplexem Ansatz φ(t)=ceλtφ˙=cλeλtφ¨=cλ2eλt

Erhält man: λ2Ωλ+g=0λ1,2=Ω2±Ω24gmit Ω=aLωcos(ωt) Also ist die allgemeine Lösung φ(t)=c1eλ1t+c2eλ2t=ce(λ1+λ2)tmit c1=c2*=:c Der Realteil ist also φ(t)=acos(Ω2+iΩ24g)+bsin(Ω2iΩ24g) nun ist aber ω2agΩ2g also ist φ(t)=acos(a2Lωcos(ωt)+g)+bsin(a2Lωcos(ωt)g)

a,bsind aus den Anfangsbedingungen zu wählen.

Das Pendel zeigt also immer Richtung Boden d Mit ω2agfolgt:

φ¨φ˙ma2ωLcos(φωt)aω22Lcos(φωt)=0

Zu schwer…