Dobra energia, zła godzina maksimum
Dla oscylatora o ω = 2 rad/s porównaj Verlet z krokami 0,25 s i 0,125 s w chwili T = 20 s. Użyj θ = 2arcsin(hω/2) oraz ωnum = θ/h. Oblicz błąd fazy (ωnum − ω)T, zdecyduj, który krok spełnia tolerancję 0,15 rad, i wyjaśnij, czemu sprawdzenie wyłącznie energii mogłoby tego nie wykryć.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
W arcsin wstaw liczbę bezwymiarową, a wynik traktuj jako radiany. Porównuj częstości kołowe, nie herce.
Rozwiązanie
Faza to liczba kroków razy kąt
Dla h = 0,25 s mamy q = 0,50, θ = 2arcsin 0,25 = 0,505360510 rad. Stąd ωnum = 2,021442041 rad/s i błąd po 20 s wynosi +0,428840823 rad. Układ numeryczny wyprzedza dokładny, więc powiązane z fazą zdarzenia występują z czasem za wcześnie.
Dla h = 0,125 s mamy q = 0,25, θ = 2arcsin 0,125 = 0,250655662 rad oraz ωnum = 2,005245299 rad/s. Błąd wynosi +0,104905974 rad. Tylko drobniejszy z tych dwóch kroków spełnia podaną tolerancję 0,15 rad. Stosunek błędów jest około 4,09, zgodnie z drugim rzędem dla dostatecznie małego kroku.
Dlaczego kontrola energii nie wystarcza?
W idealnym oscylatorze wszystkie fazy tego samego drgania mają tę samą energię. Numeryczny stan może więc leżeć blisko właściwej elipsy w przestrzeni (x; v), lecz być w złym jej miejscu. Ograniczony błąd energii Verleta nie zatrzymuje kumulacji fazy. Kryterium zależy od celu: do oszacowania amplitudy może wystarczyć inny krok niż do synchronizacji zdarzeń po 20 s.
Przybliżenie arcsin u = u + u³/6 + O(u⁵) daje ωnum = ω + h²ω³/24 + O(h⁴). To niezależnie wyjaśnia dodatni znak i wiodącą zależność błędu fazy od h²T. Nie należy usuwać fazy ręcznym przesunięciem wykresu i przedstawiać tak poprawionej ilustracji jako surowego wyniku metody.
Powiązana teoria
Oscylator w komputerze: Verlet, energia i uciekająca faza
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto