Diferencia entre revisiones de «Movimiento de partículas. Grupo 22C»
De MateWiki
| Línea 94: | Línea 94: | ||
{{matlab| codigo= | {{matlab| codigo= | ||
| − | %esta parte del programa calcula la primera matriz de rotación | + | %esta parte del programa calcula la primera matriz de rotación |
| − | %calculamos la matriz de la rotación a partir de un eje de vector w y un ángulo theta | + | %calculamos la matriz de la rotación a partir de un eje de vector w y un ángulo theta |
w=[0, 0 , 1]; | w=[0, 0 , 1]; | ||
theta=pi/16; | theta=pi/16; | ||
| Línea 116: | Línea 116: | ||
matriz3(3,2)=(w(1)); | matriz3(3,2)=(w(1)); | ||
matriz3(3,3)=0; | matriz3(3,3)=0; | ||
| − | %construimos la matriz de rotación | + | %construimos la matriz de rotación |
rotacion1=zeros(3,3); | rotacion1=zeros(3,3); | ||
matrizaux1=(cos(theta)*matriz1); | matrizaux1=(cos(theta)*matriz1); | ||
| Línea 122: | Línea 122: | ||
matrizaux3=(sin(theta)*matriz3); | matrizaux3=(sin(theta)*matriz3); | ||
rotacion1=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | rotacion1=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | ||
| − | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación | + | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación |
coorxR1=zeros(1,20); | coorxR1=zeros(1,20); | ||
cooryR1=zeros(1,20); | cooryR1=zeros(1,20); | ||
| Línea 160: | Línea 160: | ||
{{matlab| codigo= | {{matlab| codigo= | ||
| − | %segunda matriz de rotacion, eje e1 | + | %segunda matriz de rotacion, eje e1 |
w=[1, 0 , 0]; | w=[1, 0 , 0]; | ||
theta=pi/16; | theta=pi/16; | ||
| Línea 181: | Línea 181: | ||
matriz3(3,2)=(w(1)); | matriz3(3,2)=(w(1)); | ||
matriz3(3,3)=0; | matriz3(3,3)=0; | ||
| − | %construimos la matriz de rotación | + | %construimos la matriz de rotación |
rotacion2=zeros(3,3); | rotacion2=zeros(3,3); | ||
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| Línea 188: | Línea 188: | ||
rotacion2=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | rotacion2=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | ||
clear ('vaux'); | clear ('vaux'); | ||
| − | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación | + | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación |
coorxR2=zeros(1,20); | coorxR2=zeros(1,20); | ||
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| Línea 227: | Línea 227: | ||
{{matlab| codigo= | {{matlab| codigo= | ||
| − | %calculamos la matriz de la tercera rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta | + | %calculamos la matriz de la tercera rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta |
w=[0, 1, 0]; | w=[0, 1, 0]; | ||
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| Línea 248: | Línea 248: | ||
matriz3(3,2)=(w(1)); | matriz3(3,2)=(w(1)); | ||
matriz3(3,3)=0; | matriz3(3,3)=0; | ||
| − | %construimos la matriz de rotación | + | %construimos la matriz de rotación |
rotacion3=zeros(3,3); | rotacion3=zeros(3,3); | ||
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rotacion3=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | rotacion3=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3; | ||
clear('vaux'); | clear('vaux'); | ||
| − | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación | + | %separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación |
coorxR3=zeros(1,20); | coorxR3=zeros(1,20); | ||
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| − | %calculamos la matriz de la cuarta rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta | + | %calculamos la matriz de la cuarta rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta |
a=1/sqrt(3); | a=1/sqrt(3); | ||
w=[a, a, a];clc | w=[a, a, a];clc | ||
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clear ('matriz1','matriz2','matriz3','w','matrizaux1','matrizaux2','matrizaux3'); | clear ('matriz1','matriz2','matriz3','w','matrizaux1','matrizaux2','matrizaux3'); | ||
hold off | hold off | ||
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| Línea 360: | Línea 360: | ||
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| − | %pintamos esos vectores | + | %pintamos esos vectores |
plot3(coorX,coorY,coorZ, '-. b') | plot3(coorX,coorY,coorZ, '-. b') | ||
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hold on | hold on | ||
| − | %calculamos las coordenadas de los vectores velocidad de los puntos materiales | + | %calculamos las coordenadas de los vectores velocidad de los puntos materiales |
coorVx=zeros(1,20); | coorVx=zeros(1,20); | ||
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| − | % | + | %calculamos el tensor de inercia |
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| Línea 425: | Línea 425: | ||
end | end | ||
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| − | %calculamos la segunda matriz | + | %calculamos la segunda matriz |
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| Línea 437: | Línea 437: | ||
vaux(1,3)=coorZ(1,i); | vaux(1,3)=coorZ(1,i); | ||
masa=masas(i); | masa=masas(i); | ||
| − | |||
segundamatrizaux(1,1)=vaux(1,1)*vaux(1,1); | segundamatrizaux(1,1)=vaux(1,1)*vaux(1,1); | ||
segundamatrizaux(1,2)=vaux(1,1)*vaux(1,2); | segundamatrizaux(1,2)=vaux(1,1)*vaux(1,2); | ||
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Revisión del 14:07 4 dic 2014
| Trabajo realizado por estudiantes | |
|---|---|
| Título | Movimiento de un sistema de partículas. (Grupo 22-C) |
| Asignatura | Teoría de Campos |
| Curso | 2014-15 |
| Autores |
Palacios Pintor, Pedro Lafita Gómez-Bravo, María De la Torre Prado, Yago Vidal Sánchez, Nieves |
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
Consideramos un conjunto de 20 partículas que inicialmente se encuentran en los puntos de coordenadas (xi,yi,zi) = (cos(2πi/10),sin(2πi/10), i/10), i=1, 2, ..., 20 respecto a la base ortonormal {e1,e2,e3}. Supondremos que las partículas están unidas por alambres de masa despreciable de manera que su posición relativa no cambia.
Contenido
- 1 VISUALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
- 2 CENTRO DE MASAS DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
- 3 ROTACIÓN DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
- 4 DEFINICIÓN DE LA VELOCIDAD COMO UN TENSOR ANTISIMÉTRICO
- 5 VISUALIZACIÓN DE LOS VECTORES VELOCIDAD
- 6 TENSOR DE INERCIA
- 7 RELACIÓN DEL TENSOR DE INERCIA Y LA ENERGÍA CINÉTICA
1 VISUALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
Los ejes de la siguiente figura están fijados en la región [-2,2]x[-2,2]x[0,2]
El código en MATLAB para obtener la gráfica del sistema sería:
%la primera parte del programa calcula las coordenadas de los puntos materiales
%crea una matriz de 3 filas y 20 columnas, donde cada columna son las tres coordenadas de los puntos
coordenadas=zeros(3,20);
for i=1:20
coordenadas(1,i)=(cos((2*pi*i)/10));
coordenadas(2,i)=(sin((2*pi*i)/10));
coordenadas(3,i)=(i/10);
end
clear('i');
%dibujamos la helice en 3d con los ejes pedidos, creamos los vectores de coordeandas X, Y, Z
coorX=zeros(1,20);
coorY=zeros(1,20);
coorZ=zeros(1,20);
for i=1:20
coorX(1,i)=coordenadas(1,i);
coorY(1,i)=coordenadas(2,i);
coorZ(1,i)=coordenadas(3,i);
end
clear('i');
%pintamos esos vectores
figure(1);
plot3(coorX,coorY,coorZ, '--. b');
axis([-2,2,-2,2,0,2]);
hold on2 CENTRO DE MASAS DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
Sabiendo que las partículas tienen masa creciente mi=10+i/10, para calcular el centro de masas hacemos uso de la siguiente fórmula: (∑inrimi)/M donde M es la masa total y ri= la distancia del punto al eje correspondiente x,y ó z. El código de Matlab será el siguiente:
%calculamos una matriz con las masas
masas=zeros(1,20);
for i=1:20
masas(1,i)=(10+i/10);
end
clear('i');
%calculamos cuanto aporta cada particula al centro de masas y el centro de masas
auxXG=zeros(1,20);
auxYG=zeros(1,20);
auxZG=zeros(1,20);
for i=1:20
auxXG(1,i)=(masas(1,i)*coorX(1,i));
auxYG(1,i)=(masas(1,i)*coorY(1,i));
auxZG(1,i)=(masas(1,i)*coorZ(1,i));
end
clear('i');
masatotal=sum(masas);
auxXG=sum(auxXG);
auxYG=sum(auxYG);
auxZG=sum(auxZG);
%calculamos las coordenads del centro de masas y lo pintamos
XG=((1/masatotal)*auxXG);
YG=((1/masatotal)*auxYG);
ZG=((1/masatotal)*auxZG);
plot3(XG,YG,ZG,'. g ','linewidth',10)
hold off
figure(2);
2.1 Visualización del centro de masas
Esta sería la gráfica obtenida ejecutando el programa anterior:
3 ROTACIÓN DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS
3.1 Matriz rotación con eje ω=e3 y angulo θ= π/16
Calculamos la matriz de rotación a partir de un eje ω=e3 y un ángulo θ= π/16. El código que nos permite obtener dicha matriz de rotación es esta:
%esta parte del programa calcula la primera matriz de rotación
%calculamos la matriz de la rotación a partir de un eje de vector w y un ángulo theta
w=[0, 0 , 1];
theta=pi/16;
matriz1=eye(3);
matriz2=zeros(3,3);
matriz3=zeros(3,3);
for i=1:3
matriz2(1,i)=(w(1)*w(i));
matriz2(2,i)=(w(2)*w(i));
matriz2(3,i)=(w(3)*w(i));
end
clear('i');
matriz3(1,1)=0;
matriz3(1,2)=(-1*w(3));
matriz3(1,3)=(w(2));
matriz3(2,1)=(w(3));
matriz3(2,2)=0;
matriz3(2,3)=(-1*w(1));
matriz3(3,1)=(-1*w(2));
matriz3(3,2)=(w(1));
matriz3(3,3)=0;
%construimos la matriz de rotación
rotacion1=zeros(3,3);
matrizaux1=(cos(theta)*matriz1);
matrizaux2=((1-cos(theta))*matriz2);
matrizaux3=(sin(theta)*matriz3);
rotacion1=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3;
%separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación
coorxR1=zeros(1,20);
cooryR1=zeros(1,20);
coorzR1=zeros(1,20);
vaux=zeros(3,1);
for i=1:20
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(2,1)=coorY(1,i);
vaux(3,1)=coorZ(1,i);
rotpunto=rotacion1*vaux;
coorxR1(1,i)=rotpunto(1);
cooryR1(1,i)=rotpunto(2);
coorzR1(1,i)=rotpunto(3);
clear('rotpunto');
end
clear('i');
plot3(coorxR1,cooryR1, coorzR1, '--. g')
axis([-2,2,-2,2,0,2])
hold on
plot3(coorX, coorY, coorZ, '--p b')
hold off
La matriz de componentes del tensor de la primera rotación es:
0.9808 -0.1951 0
0.1951 0.9808 0
0 0 1.0000
3.1.1 Visualización de un sistema de puntos rotados con eje ω=e3 y ángulo θ= π/16
3.2 Matriz rotación con eje ω=e1 y angulo θ= π/16
Código:
%segunda matriz de rotacion, eje e1
w=[1, 0 , 0];
theta=pi/16;
matriz1=eye(3);
matriz2=zeros(3,3);
matriz3=zeros(3,3);
for i=1:3
matriz2(1,i)=(w(1)*w(i));
matriz2(2,i)=(w(2)*w(i));
matriz2(3,i)=(w(3)*w(i));
end
clear('i');
matriz3(1,1)=0;
matriz3(1,2)=(-1*w(3));
matriz3(1,3)=(w(2));
matriz3(2,1)=(w(3));
matriz3(2,2)=0;
matriz3(2,3)=(-1*w(1));
matriz3(3,1)=(-1*w(2));
matriz3(3,2)=(w(1));
matriz3(3,3)=0;
%construimos la matriz de rotación
rotacion2=zeros(3,3);
matrizaux1=(cos(theta)*matriz1);
matrizaux2=((1-cos(theta))*matriz2);
matrizaux3=(sin(theta)*matriz3);
rotacion2=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3;
clear ('vaux');
%separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación
coorxR2=zeros(1,20);
cooryR2=zeros(1,20);
coorzR2=zeros(1,20);
vaux=zeros(3,1);
for i=1:20
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(2,1)=coorY(1,i);
vaux(3,1)=coorZ(1,i);
rotpunto=rotacion2*vaux;
coorxR2(1,i)=rotpunto(1);
cooryR2(1,i)=rotpunto(2);
coorzR2(1,i)=rotpunto(3);
clear('rotpunto');
end
clear('i');
plot3(coorxR2,cooryR2, coorzR2, '--p r')
axis([-2,2,-2,2,0,2])
hold on
plot3(coorX, coorY, coorZ, '--. b')
hold off
La matriz de componentes del tensor de la segunda rotación es:
1.0000 0 0
0 0.9808 -0.1951
0 0.1951 0.9808
3.2.1 Visualización de un sistema de puntos rotados con eje ω=e1 y angulo θ= π/16
3.3 Matriz rotación con eje ω=e2 y angulo θ= π/16
Calculamos la matriz de rotación a partir de un eje ω=e2 y un ángulo θ= π/16. El código que nos permite obtener dicha matriz de rotación es esta:
%calculamos la matriz de la tercera rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta
w=[0, 1, 0];
theta=pi/16;
matriz1=eye(3);
matriz2=zeros(3,3);
matriz3=zeros(3,3);
for i=1:3
matriz2(1,i)=(w(1)*w(i));
matriz2(2,i)=(w(2)*w(i));
matriz2(3,i)=(w(3)*w(i));
end
clear('i');
matriz3(1,1)=0;
matriz3(1,2)=(-1*w(3));
matriz3(1,3)=(w(2));
matriz3(2,1)=(w(3));
matriz3(2,2)=0;
matriz3(2,3)=(-1*w(1));
matriz3(3,1)=(-1*w(2));
matriz3(3,2)=(w(1));
matriz3(3,3)=0;
%construimos la matriz de rotación
rotacion3=zeros(3,3);
matrizaux1=(cos(theta)*matriz1);
matrizaux2=((1-cos(theta))*matriz2);
matrizaux3=(sin(theta)*matriz3);
rotacion3=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3;
clear('vaux');
%separamos los vectores directores de cada particula y les hacemos la rotación
coorxR3=zeros(1,20);
cooryR3=zeros(1,20);
coorzR3=zeros(1,20);
vaux=zeros(3,1);
for i=1:20
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(2,1)=coorY(1,i);
vaux(3,1)=coorZ(1,i);
rotpunto=rotacion3*vaux;
coorxR3(1,i)=rotpunto(1);
cooryR3(1,i)=rotpunto(2);
coorzR3(1,i)=rotpunto(3);
clear('rotpunto');
end
clear('i');
plot3(coorxR3,cooryR3, coorzR3, '--p k')
axis([-2,2,-2,2,0,2])
hold on
plot3(coorX, coorY, coorZ, '--. b')
hold off
La matriz de componentes del tensor de la tercera rotación es:
0.9808 0 0.1951
0 1.0000 0
-0.1951 0 0.9808
3.3.1 Visualización de un sistema de puntos rotados con eje ω=e2 y ángulo θ= π/16
3.4 Matriz rotación con eje ω=e1+e2+e3 y ángulo θ= π/16
%calculamos la matriz de la cuarta rotación a partir de un vector w y un eje angulo theta
a=1/sqrt(3);
w=[a, a, a];clc
theta=pi/16;
matriz1=eye(3);
matriz2=zeros(3,3);
matriz3=zeros(3,3);
for i=1:3
matriz2(1,i)=(w(1)*w(i));
matriz2(2,i)=(w(2)*w(i));
matriz2(3,i)=(w(3)*w(i));
end
clear('i');
matriz3(1,1)=0;
matriz3(1,2)=(-1*w(3));
matriz3(1,3)=(w(2));
matriz3(2,1)=(w(3));
matriz3(2,2)=0;
matriz3(2,3)=(-1*w(1));
matriz3(3,1)=(-1*w(2));
matriz3(3,2)=(w(1));
matriz3(3,3)=0;
%construimos la matriz de rotación
rotacion4=zeros(3,3);
matrizaux1=(cos(theta)*matriz1);
matrizaux2=((1-cos(theta))*matriz2);
matrizaux3=(sin(theta)*matriz3);
rotacion4=matrizaux1+matrizaux2+matrizaux3;
clear('vaux');
%separamos los vectores directores de cada partícula y les hacemos la rotación
coorxR4=zeros(1,20);
cooryR4=zeros(1,20);
coorzR4=zeros(1,20);
vaux=zeros(3,1);
for i=1:20
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(2,1)=coorY(1,i);
vaux(3,1)=coorZ(1,i);
rotpunto=rotacion4*vaux;
coorxR4(1,i)=rotpunto(1);
cooryR4(1,i)=rotpunto(2);
coorzR4(1,i)=rotpunto(3);
clear('rotpunto');
end
clear('i');
plot3(coorxR4,cooryR4, coorzR4, '--p m')
axis([-2,2,-2,2,0,2])
hold on
plot3(coorX, coorY, coorZ, '--. b')
clear ('matriz1','matriz2','matriz3','w','matrizaux1','matrizaux2','matrizaux3');
hold off
%fin del apartado 3
La matriz de componentes del tensor de la tercera rotación es:
0.9872 -0.1062 0.1190 0.1190 0.9872 -0.1062 -0.1062 0.1190 0.9872
3.4.1 Visualización de un sistema de puntos rotados con eje ω=e1+e2+e3 y ángulo θ= π/16
4 DEFINICIÓN DE LA VELOCIDAD COMO UN TENSOR ANTISIMÉTRICO
5 VISUALIZACIÓN DE LOS VECTORES VELOCIDAD
%pintamos esos vectores
plot3(coorX,coorY,coorZ, '-. b')
axis([-2,2,-2,2,0,2]);
hold on
%calculamos las coordenadas de los vectores velocidad de los puntos materiales
coorVx=zeros(1,20);
coorVy=zeros(1,20);
coorVz=zeros(1,20);
omega=[0,0,1];
radioaux=zeros(1,3);
veloaux=zeros(1,3);
for i=1:20
radioaux(1,1)=coorX(1,i);
radioaux(1,2)=coorY(1,i);
radioaux(1,3)=coorZ(1,i);
veloaux=cross(omega,radioaux);
coorVx(1,i)=veloaux(1);
coorVy(1,i)=veloaux(2);
coorVz(1,i)=veloaux(3);
clear('veloaux','radioaux');
radioaux=zeros(1,3);
veloaux=zeros(1,3);
end
for i=1:20
xaux=coorX(1,i);
yaux=coorY(1,i);
zaux=coorZ(1,i);
vxaux=coorVx(1,i);
vyaux=coorVy(1,i);
vzaux=coorVz(1,i);
quiver3(xaux,yaux,zaux,vxaux,vyaux,vzaux)
clear('xaux','yaux','zaux','vxaux','vyaux','vzaux');
end
hold off
Obsérvese que dichos vectores son tangentes a la trayectoria.
6 TENSOR DE INERCIA
6.1 Cálculo de las componentes del tensor I de inercia en la base {e1,e2,e3}
%calculamos el tensor de inercia
%primera matriz del tensor% %base i,j,k
%calculamos la primera matriz
clear ('vaux','i');
primeramatriz=zeros(3,3);
identidad=eye(3);
for i=1:20
primeramatrizaux=zeros(3,3);
vaux=zeros(1,3);
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(1,2)=coorY(1,i);
vaux(1,3)=coorZ(1,i);
modulocuadrado=vaux*vaux';
masa=masas(i);
momento=masa*modulocuadrado;
primeramatrizaux=momento*identidad;
primeramatriz=primeramatriz+primeramatrizaux;
clear('masa','primeramatrizaux','vaux','modulocuadrado','momento');
end
clear('i');
%calculamos la segunda matriz
segundamatriz=zeros(3,3);
clear ('vaux');
clear ('masa');
for i=1:20
segundamatrizaux=zeros(3,3);
segundamatrizauxaux=zeros(3,3);
vaux=zeros(1,3);
vaux(1,1)=coorX(1,i);
vaux(1,2)=coorY(1,i);
vaux(1,3)=coorZ(1,i);
masa=masas(i);
segundamatrizaux(1,1)=vaux(1,1)*vaux(1,1);
segundamatrizaux(1,2)=vaux(1,1)*vaux(1,2);
segundamatrizaux(1,3)=vaux(1,1)*vaux(1,3);
segundamatrizaux(2,1)=vaux(1,2)*vaux(1,1);
segundamatrizaux(2,2)=vaux(1,2)*vaux(1,2);
segundamatrizaux(2,3)=vaux(1,2)*vaux(1,3);
segundamatrizaux(3,1)=vaux(1,3)*vaux(1,1);
segundamatrizaux(3,2)=vaux(1,3)*vaux(1,2);
segundamatrizaux(3,3)=vaux(1,3)*vaux(1,3);
segundamatrizauxaux=masa*segundamatrizaux;
segundamatriz=segundamatriz+segundamatrizauxaux;
clear ('vaux','segundamatrizaux','segundamatrizauxaux');
end
clear('i');
tensordeinercia=zeros(3,3);
tensordeinercia=primeramatriz+segundamatriz
Ahora lo calculamos suponiendo que ω=e3:
w=[0;0;1];
momentoejez=tensordeinercia*w;
momentoejez
7 RELACIÓN DEL TENSOR DE INERCIA Y LA ENERGÍA CINÉTICA
%calculamos la energía cinética del sistema de partículas
energiaux=tensordeinercia*w;
energiacinetica=[0,0,1]*energiaux;
energiacinetica
