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Python實(shí)現(xiàn)所有算法:力系統(tǒng)是否靜態(tài)平衡

云深之無(wú)跡 ? 來(lái)源:云深之無(wú)跡 ? 作者:云深之無(wú)跡 ? 2022-07-10 09:46 ? 次閱讀
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昨天第二篇文章寫(xiě)的有點(diǎn)匆忙了,有一些地方配圖配錯(cuò)了,這里做個(gè)更正。

a870a692-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

關(guān)于靜力學(xué)平衡,就回憶一下這個(gè)圖就好

a8ac4e40-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

程序第一個(gè)給的例題是這個(gè),我配錯(cuò)了圖,對(duì)不起了

a9093646-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

?解析沿矩形分量的力

(force, angle) => (force_x, force_y),這個(gè)就是最終的結(jié)果。

因?yàn)樘崞鸾嵌染陀袃蓚€(gè)不同的記法,這里也做了一個(gè)角度的兼容。

a9355d5c-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

Core就是一個(gè)正交分解

a9590f4a-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

弧度制

a97ddfdc-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

我們這個(gè)圖就很完美了

a9bb8102-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

還有一個(gè)是比較泛化的正交分解

a9e8ab1e-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

在函數(shù)的參數(shù)構(gòu)建中,分力,位置

in_static_equilibrium(force, location)

最后就會(huì)給出結(jié)果

aa1b44fc-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

對(duì)于例題,這就是我們的分力,三組

aa4a7736-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

三個(gè)點(diǎn)在原點(diǎn)處的平衡情況

location = array([[0, 0], [0, 0], [0, 0]])assertin_static_equilibrium(forces,location)

這樣調(diào)用就好

aa8016d4-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

對(duì)于這個(gè),因?yàn)榻嵌忍厥猓粤χ苯咏o出

aab5c126-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

四力,四點(diǎn)


import mathforce = polar_force(10, 45)math.isclose(force[0], 7.071067811865477)
True
math.isclose(force[1], 7.0710678118654755)
Truepolar_force(10, 3.14, radian_mode=True)
[-9.999987317275396,0.01592652916486828]

Python數(shù)學(xué)模塊中,math.isclose()方法用于確定兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的值是否接近。要使用此函數(shù),你必須導(dǎo)入數(shù)學(xué)模塊。

用法:isclose(a, b, rel_tol = 1e-09, abs_tol 0.0)

參數(shù):rel_tol:被視為“close”的最大差,相對(duì)于輸入值的大小

abs_tol:“close”的最大差異,與輸入值的大小無(wú)關(guān)

aad8fb0a-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

cross是叉積

numpy.cross

numpy.cross(a,b,axisa=-1,axisb=-1,axisc=-1,axis=None)

返回兩個(gè)(數(shù)組)向量的叉積。

a和b 的叉積是垂直于a和b的向量。如果a和b是向量的數(shù)組,則默認(rèn)情況下,向量由a和b的最后一個(gè)軸定義,并且這些軸的尺寸可以為2或3。其中a或b的尺寸為2時(shí),則第三個(gè)分量假定輸入向量為零,并據(jù)此計(jì)算叉積。如果兩個(gè)輸入向量的尺寸均為2,則返回叉積的z分量。

aafd3268-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

參數(shù)表

叉積來(lái)了哈~

向量積,數(shù)學(xué)中又稱外積、叉積,物理中稱矢積、叉乘,是一種在向量空間中向量的二元運(yùn)算。與點(diǎn)積不同,它的運(yùn)算結(jié)果是一個(gè)向量而不是一個(gè)標(biāo)量。并且兩個(gè)向量的叉積與這兩個(gè)向量和垂直。

a x b就是a叉b(廢話???)有時(shí)也用^這個(gè)符號(hào)。

向量積可以被定義為:

模長(zhǎng):(在這里θ表示兩向量之間的夾角(共起點(diǎn)的前提下)(0°≤θ≤180°),它位于這兩個(gè)矢量所定義的平面上.)

ab2e4f60-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

就像這樣

方向:a向量與b向量的向量積的方向與這兩個(gè)向量所在平面垂直,且遵守右手定則。(一個(gè)簡(jiǎn)單的確定滿足“右手定則”的結(jié)果向量的方向的方法是這樣的:若坐標(biāo)系是滿足右手定則的,當(dāng)右手的四指從a以不超過(guò)180度的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向b時(shí),豎起的大拇指指向是c的方向。)

也可以這樣定義(等效):

向量積|c|=|a×b|=|a||b|sin

即c的長(zhǎng)度在數(shù)值上等于以a,b,夾角為θ組成的平行四邊形的面積。

而c的方向垂直于a與b所決定的平面,c的指向按右手定則從a轉(zhuǎn)向b來(lái)確定。

平時(shí)見(jiàn)到的各種積:

ab4eaa9e-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

這里可以簡(jiǎn)單的總結(jié)一下

對(duì)于這樣的東西,一個(gè)好的可視化解釋,可以讓你記憶猶新:

叉積的長(zhǎng)度|a×b|可以解釋成這兩個(gè)叉乘向量a,b共起點(diǎn)時(shí),所構(gòu)成平行四邊形的面積。據(jù)此有:混合積[abc]=(a×b)·c可以得到以a,b,c為棱的平行六面體的體積。

在數(shù)學(xué)里面,我們給定一種運(yùn)算法則后會(huì)試圖將它融入到現(xiàn)有的數(shù)學(xué)體系。所以這里給出代數(shù)規(guī)則:

1、反交換律:a×b=-b×a

2、加法的分配律:a×(b+c)=a×b+a×c。

3、與標(biāo)量乘法兼容:(ra)×b=a×(rb)=r(a×b)。

4、不滿足結(jié)合律,但滿足雅可比恒等式:a×(b×c)+b×(c×a)+c×(a×b)=0。

5、分配律,線性性和雅可比恒等式別表明:具有向量加法和叉積的R3構(gòu)成了一個(gè)李代數(shù)。

6、兩個(gè)非零向量a和b平行,當(dāng)且僅當(dāng)a×b=0。

是不是混進(jìn)來(lái)一個(gè)雅可比???

雅可比恒等式是橢圓函數(shù)理論中的一個(gè)著名恒等式。雅可比恒等式就是下列等式:

[X,[Y,Z]]+[Y,[Z,X]]+[Z,[X,Y]]=0

滿足雅可比恒等式的代數(shù)結(jié)構(gòu)不一定滿足反交換律。

上面的橢圓理論什么的是復(fù)變函數(shù)里面的,我只是一個(gè)土狗,不知道怎么說(shuō)。

OKOK,叉積又不得不提拉格朗日公式:

(a×b)×c=b(a·c)-a(b·c

a×(b×c)=b(a·c)-c(a·b)

ab68d0e0-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

證明過(guò)程

可以簡(jiǎn)單地記成“BAC-CAB”。這個(gè)公式在物理上簡(jiǎn)化向量運(yùn)算非常有效。等等???你是不是不知道上面說(shuō)的是什么。

他叫:二重向量叉乘化簡(jiǎn)公式。

ab8cd36e-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

說(shuō)了這么多的字,可能沒(méi)有一張圖來(lái)的快

abc6742a-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

哥倆好?不是~是叉積的方向啦!

伸出右手,將大拇指指向a,將食指指向b,中指自然彎曲,并使中指同時(shí)垂直于食指和拇指,那么此時(shí)中指所指的方向就是a×b的方向。

從這個(gè)右手定則,我們可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)向量的叉積同時(shí)垂直這兩個(gè)向量,并且:

a×b=-b×a

也就是確確實(shí)實(shí)的不支持交換律。

不過(guò)既然物理這么多了,也不怕再多點(diǎn):

在力的作用線的延長(zhǎng)線或反向延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)原點(diǎn)時(shí),力矩為零。力矩在物理學(xué)里是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向。力矩的單位是牛頓米。力矩的概念,起源于阿基米德對(duì)杠桿的研究。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又稱為轉(zhuǎn)矩或扭矩。力矩能夠使物體改變其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。推擠或拖拉涉及到作用力 ,而扭轉(zhuǎn)則涉及到力矩。力矩等于徑向矢量與作用力的叉積。

為什么說(shuō)力矩,因?yàn)樽詈笥胁娣e。

ac0d5d5e-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

這是我們的判斷是否處于平衡狀態(tài)

ac3c0f00-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

因?yàn)橐娣e計(jì)算,注意兩個(gè)向量的個(gè)數(shù)

這里也注意內(nèi)在,位置是矢量,分力也是矢量,所以可以計(jì)算。求完以后將值sum然后小于一個(gè)小數(shù),證明平衡。

這里簡(jiǎn)單的分析一下:

叉乘的模,等于兩個(gè)向量的模的乘積乘以sinθ。θ是兩個(gè)向量的夾角,如果兩個(gè)向量的模不為0,那么sinθ要等于0,也就是夾角是0°或者180°,那么兩個(gè)向量平行。

ac66ac7e-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

就是這些位置

ac8ec6e6-fecf-11ec-ba43-dac502259ad0.png

我們?cè)俜治觯?是最穩(wěn)定的狀態(tài),那么它的分力和原點(diǎn)叉積和越小越穩(wěn)定

這篇文章有點(diǎn)長(zhǎng)了,感激你看到這里,叉積會(huì)算了嗎?靚仔

審核編輯 :李倩


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原文標(biāo)題:Python實(shí)現(xiàn)所有算法-力系統(tǒng)是否靜態(tài)平衡(補(bǔ)篇)

文章出處:【微信號(hào):TT1827652464,微信公眾號(hào):云深之無(wú)跡】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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