Oliver Natt: Physik mit Python.

Lösung zu Aufgabe 10.2

In dem Programm kette_transversal1.py wurde gegenüber dem ursprünglichen Program für die Masse-Feder-Kette die Dauer des Anregungspulses verkürzt, indem die Größe delta_t von $0{,}2\,\textrm{s}$ auf $0{,}05\,\textrm{s}$ reduziert wurde. Außerdem wurde die Amplitude für die Longitudinalanregung auf null gesetzt. Man erkennt, dass es nun zu einer sehr deutlichen Formänderung des Pulses während der Wellenausbreitung kommt. Diese Formänderung ist vergleichbar zu der Formänderung bei der entsprechenden Longitudinalwelle, die in Aufgabe 10.1 untersucht wurde.

Zur fertigen Animation.

In dem Programm kette_transversal2.py wurde gegenüber dem ursprünglichen Programm für die Masse-Feder-Kette die Dauer des Anregungspulses unverändert gelassen und stattdessen wurde die Amplitude von $A=0{,}01\,\textrm{m}$ auf $A=0{,}5\,\textrm{m}$ erhöht. Auch hier wurde die Amplitude für die Longitudinalanregung auf null gesetzt.

Hier zeigt sich nun ein deutlicher Unterschied zu der entsprechenden Longitudinalwelle, die in Aufgabe 10.1 untersucht wurde. Aufgrund der großen Auslenkung tritt jetzt eine geometrische Nicht-Linearität auf. Diese führt dazu, dass durch die Transversalwelle eine zusätzliche Longitudinalwelle angeregt wird.

Zur fertigen Animation.

Wellen/Loesungen/kette_transversal1.py

"""Wellenausbreitung auf einer gespannten Masse-Feder-Kette.

In diesem Beispiel wird nur eine Transversalwelle angeregt,
wobei ein einzelner relativ kurzer Anregungspuls mit kleiner
Amplitude verwendet wird. """

import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation
import scipy.integrate

# Simulationsdauer [s].
T = 10.0

# Zeitschrittweite [s].
dt = 0.01

# Dimension des Raumes.
dim = 2

# Anzahl der Massen.
N = 70

# Federkonstante [N/m].
D = 100

# Masse [kg].
m = 0.05

# Länge der ungespannten Federn [m].
L0 = 0.05

# Länge der Federn im gespannten Zustand [m].
L = 0.15

# Amplitude der longitudinalen und transversalen Anregung [m].
A_long = 0.0                           # keine Longitudinalwelle.
A_tran = 0.01              # Sehr kleine Amplitude (transversal).

# Ruhelage der N Massen im Abstand L auf der x-Achse.
r0 = np.zeros((N, dim))
r0[:, 0] = np.linspace(L, N * L, N)


def anreg(t):
    """Ortsvektor der anregenden Masse zum Zeitpunkt t. """
    t_max = 0.5
    delta_t = 0.05                   # Sehr kurzer Anregungspuls.
    pos = np.empty(dim)
    pos[0] = A_long * np.exp(-((t - t_max) / delta_t) ** 2)
    pos[1] = A_tran * np.exp(-((t - t_max) / delta_t) ** 2)
    return pos


def federkraft(r1, r2):
    """Kraft auf die Masse am Ort r1. """
    L = np.linalg.norm(r2 - r1)
    F = D * (L - L0) * (r2 - r1) / L
    return F


def dgl(t, u):
    r, v = np.split(u, 2)
    r = r.reshape(N, dim)
    a = np.zeros((N, dim))

    # Addiere die Beschleunigung durch die jeweils linke Feder.
    for i in range(1, N):
        a[i] += federkraft(r[i], r[i-1]) / m

    # Addiere die Beschleunigung durch die jeweils rechte Feder.
    for i in range(N-1):
        a[i] += federkraft(r[i], r[i+1]) / m

    # Addiere die Beschleunigung durch die anregende Masse.
    a[0] += federkraft(r[0], anreg(t)) / m

    # Die letzte Masse soll festgehalten werden.
    a[N - 1] = 0

    return np.concatenate([v, a.reshape(-1)])


# Lege den Zustandsvektor zum Zeitpunkt t=0 fest. Alle N-1
# Teilchen ruhen in der Ruhelage.
v0 = np.zeros(N * dim)
u0 = np.concatenate((r0.reshape(-1), v0))

# Löse die Bewegungsgleichung bis zum Zeitpunkt T.
result = scipy.integrate.solve_ivp(dgl, [0, T], u0,
                                   t_eval=np.arange(0, T, dt))
t = result.t
r, v = np.split(result.y, 2)

# Wandle r und v in ein 3-dimensionals Array um:
#    1. Index - Teilchennummer
#    2. Index - Koordinatenrichtung
#    3. Index - Zeitpunkt
r = r.reshape(N, dim, -1)
v = v.reshape(N, dim, -1)

# Erzeuge eine Figure.
fig = plt.figure(figsize=(12, 4))

# Erzeuge eine Axes für die animierte Darstellung der
# Masse-Feder-Kette.
ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax1.set_xlim(-L, (N + 1) * L)
ax1.set_ylim(-1.2 * A_tran, 1.2 * A_tran)
ax1.set_ylabel('y [m]')
ax1.tick_params(labelbottom=False)
ax1.grid()

# Erzeuge je einen Punktplot (blau) für die beiden Wellen.
teilchen, = ax1.plot(r0[:, 0], r0[:, 1], 'ob')
teilchen0, = ax1.plot([-L], 0, 'or')

# Erzeuge ein Textfeld für die Angabe des Zeitpunkts.
text = ax1.text(0.97, 0.97, '', transform=ax1.transAxes,
                horizontalalignment='right',
                verticalalignment='top')

# Erzeuge eine zweite Axes für die animierte Darstellung der
# transversalen und longitudinalen Auslenkung.
ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2)
ax2.set_xlim(-L, (N + 1) * L)
ax2.set_ylim(-1.2 * max(A_tran, A_long),
             1.2 * max(A_tran, A_long))
ax2.set_ylabel('u [m]')
ax2.set_xlabel('x [m]')
ax2.grid()

# Erzeuge je einen Linienplot für die Momentanauslenkung.
# Dabei wollen wir die anregende Masse mit einschließen.
xw = np.linspace(0, N * L, N + 1)
welle_trans, = ax2.plot(xw, 0 * xw, '-', label='trans')
welle_long, = ax2.plot(xw, 0*xw, '-', label='long')

# Füge eine Legende hinzu.
ax2.legend(loc='upper left')


def update(n):
    # Aktualisiere die Position der simulierten Massen.
    teilchen.set_data(r[:, :, n].T)

    # Aktualisiere die Position der anregenden Masse.
    teilchen0.set_data(anreg(t[n]).reshape(-1, 1))

    # Erzeuge ein Array mit den Auslenkungen aller Massen
    # aus der Ruhelage (inklusive der anregenden Masse).
    w = np.concatenate([anreg(t[n]).reshape(1, dim),
                        r[:, :, n] - r0])

    # Aktualisiere den Plot für die Transversal- und
    # Longitudinalwelle.
    welle_long.set_ydata(w[:, 0])
    welle_trans.set_ydata(w[:, 1])

    # Aktualisiere die Zeitangabe.
    text.set_text(f't = {t[n]:.2f}s')

    return teilchen, teilchen0, welle_trans, welle_long, text


# Erstelle die Animation und zeige die Grafik an.
ani = mpl.animation.FuncAnimation(fig, update, frames=t.size,
                                  interval=30, blit=True)
plt.show()

Wellen/Loesungen/kette_transversal2.py

"""Wellenausbreitung auf einer gespannten Masse-Feder-Kette.

In diesem Beispiel wird nur eine Transversalwelle angeregt,
wobei ein einzelner relativ langer Anregungspuls mit großer
Amplitude verwendet wird. """

import numpy as np
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation
import scipy.integrate

# Simulationsdauer [s].
T = 10.0

# Zeitschrittweite [s].
dt = 0.01

# Dimension des Raumes.
dim = 2

# Anzahl der Massen.
N = 70

# Federkonstante [N/m].
D = 100

# Masse [kg].
m = 0.05

# Länge der ungespannten Federn [m].
L0 = 0.05

# Länge der Federn im gespannten Zustand [m].
L = 0.15

# Amplitude der longitudinalen und transversalen Anregung [m].
A_long = 0.0                           # keine Longitudinalwelle.
A_tran = 0.5                     # Große Amplitude (transversal).

# Ruhelage der N Massen im Abstand L auf der x-Achse.
r0 = np.zeros((N, dim))
r0[:, 0] = np.linspace(L, N * L, N)


def anreg(t):
    """Ortsvektor der anregenden Masse zum Zeitpunkt t. """
    t_max = 0.5
    delta_t = 0.2                         # Langer Anregungspuls.
    pos = np.empty(dim)
    pos[0] = A_long * np.exp(-((t - t_max) / delta_t) ** 2)
    pos[1] = A_tran * np.exp(-((t - t_max) / delta_t) ** 2)
    return pos


def federkraft(r1, r2):
    """Kraft auf die Masse am Ort r1. """
    L = np.linalg.norm(r2 - r1)
    F = D * (L - L0) * (r2 - r1) / L
    return F


def dgl(t, u):
    r, v = np.split(u, 2)
    r = r.reshape(N, dim)
    a = np.zeros((N, dim))

    # Addiere die Beschleunigung durch die jeweils linke Feder.
    for i in range(1, N):
        a[i] += federkraft(r[i], r[i-1]) / m

    # Addiere die Beschleunigung durch die jeweils rechte Feder.
    for i in range(N-1):
        a[i] += federkraft(r[i], r[i+1]) / m

    # Addiere die Beschleunigung durch die anregende Masse.
    a[0] += federkraft(r[0], anreg(t)) / m

    # Die letzte Masse soll festgehalten werden.
    a[N - 1] = 0

    return np.concatenate([v, a.reshape(-1)])


# Lege den Zustandsvektor zum Zeitpunkt t=0 fest. Alle N-1
# Teilchen ruhen in der Ruhelage.
v0 = np.zeros(N * dim)
u0 = np.concatenate((r0.reshape(-1), v0))

# Löse die Bewegungsgleichung bis zum Zeitpunkt T.
result = scipy.integrate.solve_ivp(dgl, [0, T], u0,
                                   t_eval=np.arange(0, T, dt))
t = result.t
r, v = np.split(result.y, 2)

# Wandle r und v in ein 3-dimensionals Array um:
#    1. Index - Teilchennummer
#    2. Index - Koordinatenrichtung
#    3. Index - Zeitpunkt
r = r.reshape(N, dim, -1)
v = v.reshape(N, dim, -1)

# Erzeuge eine Figure.
fig = plt.figure(figsize=(12, 4))

# Erzeuge eine Axes für die animierte Darstellung der
# Masse-Feder-Kette.
ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax1.set_xlim(-L, (N + 1) * L)
ax1.set_ylim(-1.2 * A_tran, 1.2 * A_tran)
ax1.set_ylabel('y [m]')
ax1.tick_params(labelbottom=False)
ax1.grid()

# Erzeuge je einen Punktplot (blau) für die beiden Wellen.
teilchen, = ax1.plot(r0[:, 0], r0[:, 1], 'ob')
teilchen0, = ax1.plot([-L], 0, 'or')

# Erzeuge ein Textfeld für die Angabe des Zeitpunkts.
text = ax1.text(0.97, 0.97, '', transform=ax1.transAxes,
                horizontalalignment='right',
                verticalalignment='top')

# Erzeuge eine zweite Axes für die animierte Darstellung der
# transversalen und longitudinalen Auslenkung.
ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2)
ax2.set_xlim(-L, (N + 1) * L)
ax2.set_ylim(-1.2 * max(A_tran, A_long),
             1.2 * max(A_tran, A_long))
ax2.set_ylabel('u [m]')
ax2.set_xlabel('x [m]')
ax2.grid()

# Erzeuge je einen Linienplot für die Momentanauslenkung.
# Dabei wollen wir die anregende Masse mit einschließen.
xw = np.linspace(0, N * L, N + 1)
welle_trans, = ax2.plot(xw, 0 * xw, '-', label='trans')
welle_long, = ax2.plot(xw, 0*xw, '-', label='long')

# Füge eine Legende hinzu.
ax2.legend(loc='upper left')


def update(n):
    # Aktualisiere die Position der simulierten Massen.
    teilchen.set_data(r[:, :, n].T)

    # Aktualisiere die Position der anregenden Masse.
    teilchen0.set_data(anreg(t[n]).reshape(-1, 1))

    # Erzeuge ein Array mit den Auslenkungen aller Massen
    # aus der Ruhelage (inklusive der anregenden Masse).
    w = np.concatenate([anreg(t[n]).reshape(1, dim),
                        r[:, :, n] - r0])

    # Aktualisiere den Plot für die Transversal- und
    # Longitudinalwelle.
    welle_long.set_ydata(w[:, 0])
    welle_trans.set_ydata(w[:, 1])

    # Aktualisiere die Zeitangabe.
    text.set_text(f't = {t[n]:.2f}s')

    return teilchen, teilchen0, welle_trans, welle_long, text


# Erstelle die Animation und zeige die Grafik an.
ani = mpl.animation.FuncAnimation(fig, update, frames=t.size,
                                  interval=30, blit=True)
plt.show()

Aufgaben

Lösung zu Aufgabe 10.2