MyPhysicsLab – Dangling Stick

This simulation shows a dangling stick which is a massless rigid stick with a point mass on each end. One end of the stick is attached to a spring, and gravity acts.
Click "show controls" and then you can change parameters in the simulation such as mass, gravity, and damping. You can drag either end of the stick with your mouse to change the starting position. The "reset" button puts the simulation in a motionless equilibrium.
 

Can you find the bug in this simulation? Play with it for a while and see if you can determine when the bug occurs. Perhaps you can even have a theory for why it occurs. The answer is found below.

 

 

คลิกเข้าไปทดลอง  คลิกค่ะ

ทดลองไม่ได้ให้ Download  มา setup ที่เครื่องของท่านก่อนครับ Download จากฟิสิกส์ราชมงคล

Physics

dangling stick variables
dangling stick variables

The equations of motion are derived by the Lagrangian method. The three independent variables are:

  • r = length of spring

  • θ = angle of spring (0 = vertical down)

  • φ = angle of stick (0 = vertical down)

We use subscript 1 for the mass at the spring-stick intersection, and subscript 2 for the mass at the free end of the stick. The cartesian (x, y) position of the point masses is represented by R1, R2. Note that we use bold and overline to indicate a vector quantity.

Other constants are:

  • m1 = mass amount at spring-stick intersection

  • m2 = mass amount at free end of stick

  • S = length of stick

  • k = spring stiffness

  • h = spring rest length

  • g = gravity constant

Kinematics of Dangling Stick

First we calculate the kinematics.   That is, we find expressions for the positions R1, R2 of the two masses in terms of the independent variables r, θ, φ.   Then we differentiate to get the velocities. Note that kinematics is purely an exercise in geometry, there is no information about the forces involved at all. R1 = {r sin θ,   −r cos θ} R2 = {r sin θ + S sin φ,   r cos θS cos φ)} The two components of the positions correspond to {x, y} respectively.   Next differentiate to get the velocities of the masses, v1, v2 R1' = v1 = {r θ' cos θ + r' sin θ,   r' cos θ + r θ' sin θ } R2' = v2 = {r θ' cos θ + r' sin θ + S φ' cos φ,   r' cos θ + r θ' sin θ + S φ' sin φ}

Energy and the Lagrangian

Next we get separate expressions for the kinetic energy T and potential energy V of the system. The difference of the two is the Lagrangian L = TV.

Kinetic energy is given by 12 m v2.   Note that we use the vector dot product to square the velocity vector, v2 = v v.   So we have T = 12 m1 v1 v1 + 12 m2 v2 v2 The potential energy is from the spring energy and the gravitational potential of the two point masses. V = k2 (rh)2m2 g (r cos θ + S cos φ)m1 g r cos θ

Equations of Motion

To find the equations of motion, we evaluate the Lagrangian equation once for each of the three independent variables. 0 = \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial r'} \right) - \frac{\partial L}{\partial r} 0 = \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \theta'} \right) - \frac{\partial L}{\partial \theta} 0 = \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \phi'} \right) - \frac{\partial L}{\partial \phi} The three Lagrangian equations can now be solved to find expressions for the second derivatives r'', θ'', φ''. After using a computer algebra program such as Mathematica we find the following equations of motion.

r'' =  

1

( k (2 m1 + m2) (hr) + 2 m1 (m1 + m2) r θ'2 + 2 g m1 (m1 + m2) cos θ + 2 S m1 m2 φ' 2 cos (θφ)k m2 (hr) cos(2θ − 2φ) )

2 m1 (m1 + m2)


θ'' =  

1

( k m2 (hr) sin(2θ − 2φ) − 2 g m1 (m1 + m2) sin θ4 m1 (m1 + m2) r' θ' + 2 S m1 m2 φ' 2 sin(θφ) )

2 m1 (m1 + m2) r


φ'' =  

k (hr) sin(θφ)

S m1

This is almost ready for the Runge-Kutta algorithm to numerically solve the equations. All that is needed is to change these 3 second order equations to 6 first order equations by defining separate variables for r', θ', φ'. Let the new variables be respectively vr, vθ, vφ. Then the left-hand side of the above equations of motion become vr', vθ', vφ' and the three additional equations are simply r' = vr
θ' = vθ
φ' = vφ

A Bug

There is a problem in the equations of motion when the length of the spring r goes to zero, because then one of the second derivatives (the one for θ'' ) goes to infinity.   If you play with the simulation long enough you will likely see this happen.

Here is my idea for why it blows up: The rate that the angle of the spring changes depends on the torque (twist) applied, which is partially dependent on the length of the spring. When the length goes to zero, the torque goes to infinity.

In the real world, springs never reach zero length. To eliminate this bug, we would need to model the spring with a non-linear force. As the spring compressed to near zero (or to near its smallest possible length) the force would go to infinity.

 

MyPhysicsLab – Physics Simulation with Java

     Click on one of the physics simulations below... you'll see them animating in real time, and be able to interact with them by dragging objects or changing parameters like gravity. Get Java software if you don't already have it.
single spring
single spring
double spring
double spring
pendulum
pendulum
chaotic pendulum
chaotic pendulum
double pendulum
double pendulum
2D spring
2D spring
double 2D spring
double 2D spring
colliding blocks
colliding blocks
cart with pendulum
cart with pendulum
dangling stick
dangling stick
rigid body collisions
rigid body
collisions
 
sumo wrestling simulation
sumo wrestling
game
 
roller coaster
roller coaster

roller coaster with spring
roller coaster
with spring
roller coaster with 2 balls
roller coaster
with 2 balls
roller coaster with flight
roller coaster
with flight
molecule 2
molecule 2
molecule 3
molecule 3
molecule 4
molecule 4
molecule 5
molecule 5
molecule 6
molecule 6

 

ศัพท์วิทยาศาสตร์ ฉบับราชบัณฑิตสถาน

A  B  D  F  G  H  I  J  K  L  M  N  O  Q  R  S  T  U  V  W  X  Y 

                        ถ                                       อ   

นักวิทยาศาสตร    หน่วย      ศัพท์แผ่นดินไหวตัวอักษรจาก A-M   จาก N-Z

  A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

       บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์    

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3    เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL  พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2 

กลศาสตร์เวกเตอร์

โลหะวิทยาฟิสิกส์

เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1

ฟิสิกส์  2 (บรรยาย)

แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์

วีดีโอการเรียนการสอน

หน้าแรกในอดีต

แผ่นใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF

สุดยอดสิ่งประดิษฐ์

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ 

ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)

พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์ 

ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์

เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์

คำศัพท์ประจำสัปดาห์

 

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก

ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์เทศ

นักวิทยาศาสตร์ไทย

ดาราศาสตร์พิศวง 

การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์

การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด

2. เวกเตอร์

3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ

4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ

5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

7.  งานและพลังงาน 

8.  การดลและโมเมนตัม

9.  การหมุน  

10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง

11. การเคลื่อนที่แบบคาบ

12. ความยืดหยุ่น

13. กลศาสตร์ของไหล  

14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน

15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก 

16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17.  คลื่น

18.การสั่น และคลื่นเสียง

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต

2.  สนามไฟฟ้า

3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า

6. กระแสไฟฟ้า 

7. สนามแม่เหล็ก

 8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ 

10. ทรานซิสเตอร์ 

11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

14. กลศาสตร์ควอนตัม

15. โครงสร้างของอะตอม

16. นิวเคลียร์ 

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. จลศาสตร์ ( kinematic)

   2. จลพลศาสตร์ (kinetics) 

3. งานและโมเมนตัม

4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง

5.  ของไหลกับความร้อน

6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า 

7. แม่เหล็กไฟฟ้า 

8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง

9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร์ 

 

 

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์