Ecuaciones de Lagrange
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Ing. Eduardo Orcés
Mecánica de Maquinaria II
Ecuaciones de Lagrange
Ing. Eduardo Orcés P.
Julio 20152015-I
Ing. Eduardo Orcés
TEMAS
Obtención de las ecuaciones delmovimiento de sistemas mecánicos
Ecuaciones de Lagrange
2015-I
Obtención de las Ecuaciones del Movimiento de Sistemas
• Las ecuaciones que rigen el movimiento de lossistemas mecánicos se las puede obtener pordiferentes métodos, entre los que se cuentan lossiguientes:1) Ecuaciones de Newton-Euler2) Métodos energéticos (Trabajo Virtual, etc.)3) Ecuaciones de Lagrange4) Ecuaciones de Kane5) Métodos especializados (usados en Robótica,
por ejemplo).2015-IIng. Eduardo Orcés P.
• Ejemplo: Usando el Principio de Trabajo Virtual, determine laecuación del movimiento para pequeñas oscilaciones de laviga rígida de masa M, cargada como se muestra en la figura.
Solución: Se dibuja la viga en la posición de equilibrio θ, y se le da un desplazamiento virtual δθ. Calculamos el trabajo virtual hecho por cada fuerza.
• Fuerza de inercia:
• Fuerza del resorte:
• Fuerza del amortiguador:
δθθδ22llkU
−=
δθθδ
−=
3
2MlU
( ) δθθδ llcU −=
Ing. Eduardo Orcés P. 2015-I
• Carga distribuida:
• Sumando los trabajos virtuales, e igualando a cero, se obtiene la ecuación del movimiento angular de la viga alrededor de la posición de equilibrio estático:
∫ ==l
ooltfpxdxtfpU
0
2
2)())(( δθδθδ
)(24
)(3
222
2
tflplkclMlo=++
θθθ
Ing. Eduardo Orcés P. 2015-I
• Ejercicio 1: Dos péndulos simples están conectados entre sí,con la masa en el extremo inferior restringida a moverse enuna guía vertical, como se muestra en la figura. El sistema esde 1 GDL con respecto a la coordenada θ. Aplicando TrabajoVirtual, determine la ecuación del movimiento del sistema y sufrecuencia natural.
Ing. Eduardo Orcés P. 2015-I
Ecuaciones de LagrangeRef.: Housner/Hudson, Applied Mechanics: Dynamics
• Expresa las ecuaciones del movimiento entérminos de coordenadas generalizadas.
• Las coordenadas generalizadas (q1, q2,…,qn ) sonun conjunto de coordenadas iguales en número alos grados de libertad del sistema.
• Por ejemplo, en el caso de un péndulo, el ángulode inclinación θ constituye una coordenadageneralizada, mientras que las coordenadas (x,y)de la masa en el extremo, necesitan la ecuaciónde constricción adicional √(x2 + y2) = constante. Engeneral, se cumple que n – c = GDL.
2015-IIng. Eduardo Orcés P.
• Para el caso de una partícula, se puede escribirla ecuación de trabajo virtual:
• Haciendo la transformación de coordenadas de(x,y,z) al sistema (q1, q2, q3) de coordenadasgeneralizadas, se obtiene los desplazamientosδx, δy, δz:
2015-IIng. Eduardo Orcés P.
(1) zzmyymxxmzFyFxF zyx δδδδδδ ++=++
33
22
11
33
22
11
33
22
11
(2)
qqzq
qzq
qzz
qqyq
qyq
qyy
qqxq
qxq
qxx
δδδδ
δδδδ
δδδδ
∂∂
+∂∂
+∂∂
=
∂∂
+∂∂
+∂∂
=
∂∂
+∂∂
+∂∂
=
• Para simplificar, asumamos que solo se varíaδq1, y que δq2 = δq3 = 0.
• Substituyendo estos valores en (1), se obtiene:
• El lado de la izquierda de la Ec. (4), es el trabajototal realizado por las fuerzas externas durante eldesplazamiento δq1. Definimos la fuerzageneralizada Q1:
2015-IIng. Eduardo Orcés P.
(3) , , 11
11
11
qqzzq
qyyq
qxx δδδδδδ
∂∂
=∂∂
=∂∂
=
(4) 1111
1111
qqzzm
qyym
qxxmq
qzF
qyF
qxF zyx δδ
∂∂
+∂∂
+∂∂
=
∂∂
+∂∂
+∂∂
(5) 111
1 qzF
qyF
qxFQ zyx ∂
∂+
∂∂
+∂∂
=
• A continuación, transformamos el lado derechode la Ec. (4):
• Substituyendo en la Ec. (4), se obtiene entonces:
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22
(6)
2
1
2
1
11
111
xq
xqdt
d
qxx
qxx
dtd
qx
dtdx
qxx
dtd
qxx
∂∂
−
∂∂
=
∂∂
−
∂∂
=
∂∂
−
∂∂
=∂∂
(7) 22
2
1
2
111
xq
xqdt
dmqQ
∂∂
−
∂∂
=
δ
• Sumando expresiones similares para (y,z) seobtiene la energía cinética T de la partícula, y sepuede escribir la ecuación de Lagrange para lacoordenada generalizada q1:
• En forma general, podemos escribir lasecuaciones de Lagrange para una partícula:
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(8) 111
QqT
qT
dtd
=∂∂
−
∂∂
(9) 321
),, (i QqT
qT
dtd
iii
==∂∂
−
∂∂
• Para sistemas conservativos de n grados delibertad, se introduce la energía potencial V , ylas ecuaciones de Lagrange se pueden escribirde la siguiente forma:
• Donde:L = T – V = Función Lagrangiana
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(10) ...321 0
n),, (i qL
qL
dtd
ii
==∂∂
−
∂∂
• Ejemplo: Un péndulo simple formado por una masaconcentrada m y un cable liviano de longitud L, está unido aun bloque sin masa el cual está restringido en su movimientohorizontal por un resorte de rigidez k. Obtenga lasecuaciones del movimiento del sistema, usando lasecuaciones de Lagrange, y obtenga también la frecuenciapara pequeñas oscilaciones del péndulo.
Ing. Eduardo Orcés P. 2015-I
Solución: Usamos las coordenadas generalizadas (x,θ ). Lasenergías cinética y potencial en términos de estas coordenadasson:
Hallamos la ecuación de Lagrange para la coordenada x:
( )
VTL
mgLkxV
LxLxmmvT
−=
−+=
++==
)cos1(21
cos221
21
2
2222
θ
θθθ
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( )
(A) 0cos
0
cos0cos
2
2
=+−+∴
−=∂∂
−+=−+=
∂∂
kxsenmLmLxm
kxxL
senmLmLxmmLxmdtd
xL
dtd
θθθθ
θθθθθθ
Para la coordenada θ:
La solución de las ecuaciones simultáneas no-lineales (A) y (B) se la puede obtener numéricamente usando Matlab. Para esto, expresamos el sistema de ecuaciones en forma matricial:
Ing. Eduardo Orcés P. 2015-I
( )
(B) 0cos
cos0cos
2
22
=++∴
−−=∂∂
−+=−+=
∂∂
θθθ
θθθθ
θθθθθθθ
mgLsenxmLmL
mgLsensenxmLL
senxmLxmLmLxmLmLdtdL
dtd
0 cos
cos 2
2 =
+−
+
θθθ
θθ
θ
mgLsenkxsenmLx
mLmLmLm
Luego, podemos definir las variables de estado.
El sistema de ecuaciones anterior se puede escribir entonces en la siguiente forma:
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{ } { }{ } estadosvector de qq
qqqq
x
x
y =
=
=
=
4
3
2
1
θ
θ
[ ] { } { }( ){ } 0,4
3 =+
qqFqq
M
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• Substituyendo en el sistema original,éste se convierte en un sistema de 4ecuaciones diferenciales de 1º ordenen las variables de estado, las cualespueden ser integradas, por ejemplo,usando la función ode23 de Matlab .
{ }[ ] { }
{ } { }( ){ }qqf
FM
qqqq
y
,1
4
3
4
3
2
1
=
⋅−
=
=−
Para pequeñas oscilaciones del sistema, las ecuaciones sevuelven lineales y su solución se puede encontrar de manerarelativamente fácil. Haciendo sen θ ≈ θ, cos θ ≈ 1, ydespreciando términos de 2º orden en los desplazamientos yvelocidades, se obtiene:
Eliminando x se obtiene la ecuación diferencial para θ (unaecuación similar se obtiene para x), la cual es la de unmovimiento armónico simple con frecuencia ω:
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0 1
=
+
θθ g
kxxLmLm
kmgL
g
kmgL
g
+=∴=
+
+ ωθθ 0
• Ejercicio 2: En el ejemplo anterior, asuma que el bloque quese desplaza horizontalmente tiene una masa m1 y la masaconcentrada en el extremo del péndulo es m2. Obtenga lasecuaciones del movimiento del sistema mediante:(a) Las ecuaciones de Newton, (b) Las ecuaciones deLagrange.
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Ing. Eduardo Orcés
Tareas Leer las siguientes secciones del libro de Norton:
- Cap. 11, Análisis de fuerzas dinámicas, Sec. 11.10 .
Leer material sobre las ecuaciones de Lagrange en el siguiente libro, que está en el el Sidweb:o Housner / Hudson, Applied Mechanics: Dynamics, Cap.9,
Secs. 9.1 a 9.3.
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