द्रव्यमान आव्युह: Difference between revisions

Revision as of 21:35, 4 August 2023

विश्लेषणात्मक यांत्रिकी में, द्रव्यमान आव्युह सममित आव्युह है $M$ जो समय व्युत्पन्न के मध्य संबंध को व्यक्त करता है $\mathbf {\dot {q}}$ सामान्यीकृत निर्देशांक का $q$ प्रणाली और गतिज ऊर्जा की $T$ उस प्रणाली का, समीकरण द्वारा

T={\frac {1}{2}}\mathbf {\dot {q}} ^{\textsf {T}}\mathbf {M} \mathbf {\dot {q}}

कहाँ $\mathbf {\dot {q}} ^{\textsf {T}}$ सदिश के आव्युह स्थानान्तरण को दर्शाता है $\mathbf {\dot {q}}$ .^[1] यह समीकरण द्रव्यमान वाले कण की गतिज ऊर्जा के सूत्र के अनुरूप है $m$ और वेग $v$ , अर्थात्

T={\frac {1}{2}}m|\mathbf {v} |^{2}={\frac {1}{2}}\mathbf {v} \cdot m\mathbf {v}

और सिस्टम के प्रत्येक कण की स्थिति को के रूप में व्यक्त करके, इससे प्राप्त किया जा सकता है $q$ .

सामान्यतः, द्रव्यमान आव्युह $M$ राज्य पर निर्भर करता है $q$ , और इसलिए समय के साथ बदलता रहता है।

लैग्रेंजियन यांत्रिकी साधारण अंतर समीकरण उत्पन्न करता है (वास्तव में, युग्मित अंतर समीकरणों की प्रणाली) जो सामान्यीकृत निर्देशांक के अनेैतिक रूप से सदिश के संदर्भ में प्रणाली के विकास का वर्णन करता है जो सिस्टम में प्रत्येक कण की स्थिति को पूरी तरह से परिभाषित करता है। उपरोक्त गतिज ऊर्जा सूत्र उस समीकरण का पद है, जो सभी कणों की कुल गतिज ऊर्जा को दर्शाता है।

उदाहरण

दो-शरीर एकआयामी प्रणाली

एक स्थानिक आयाम में द्रव्यमान की प्रणाली।

उदाहरण के लिए, ऐसी प्रणाली पर विचार करें जिसमें दो बिंदु-जैसे द्रव्यमान सीधे ट्रैक तक सीमित हों। उस सिस्टम की स्थिति को सदिश द्वारा वर्णित किया जा सकता है $q$ दो सामान्यीकृत निर्देशांक, अर्थात् ट्रैक के साथ दो कणों की स्थिति।

\mathbf {q} ={\begin{bmatrix}x_{1}&x_{2}\end{bmatrix}}^{\textsf {T}}

मान लीजिए कि कणों में द्रव्यमान है $m 1, m 2$ , सिस्टम की गतिज ऊर्जा है

T=\sum _{i=1}^{2}{\frac {1}{2}}m_{i}{\dot {x_{i}}}^{2}

इस सूत्र को इस प्रकार भी लिखा जा सकता है

T={\frac {1}{2}}{\dot {\mathbf {q} }}^{\textsf {T}}\mathbf {M} {\dot {\mathbf {q} }}

कहाँ

\mathbf {M} ={\begin{bmatrix}m_{1}&0\\0&m_{2}\end{bmatrix}}

एन-बॉडी सिस्टम

अधिक सामान्यतः, की प्रणाली पर विचार करें $N$ सूचकांक द्वारा लेबल किए गए कण $i = 1, 2, \dots, N$ , जहां कण संख्या की स्थिति $i$ द्वारा परिभाषित किया गया है $n i$ मुक्त कार्टेशियन निर्देशांक (जहां $n i = 1, 2, 3$ ). होने देना $q$ उन सभी निर्देशांकों को समाहित करने वाला स्तंभ सदिश बनें। द्रव्यमान आव्युह $M$ विकर्ण आव्युह ब्लॉक आव्युह है जहां प्रत्येक ब्लॉक में विकर्ण तत्व संबंधित कण का द्रव्यमान हैं:^[2]

\mathbf {M} =\operatorname {diag} \left[m_{1}\mathbf {I} _{n_{1}},\,m_{2}\mathbf {I} _{n_{2}},\,\ldots ,\,m_{N}\mathbf {I} _{n_{N}}\right]

कहाँ $I n i$ है $n i \times n i$ पहचान आव्युह, या अधिक पूर्णतः:

\mathbf {M} ={\begin{bmatrix}m_{1}&\cdots &0&0&\cdots &0&\cdots &0&\cdots &0\\\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&\cdots &m_{1}&0&\cdots &0&\cdots &0&\cdots &0\\0&\cdots &0&m_{2}&\cdots &0&\cdots &0&\cdots &0\\\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&\cdots &0&0&\cdots &m_{2}&\cdots &0&\cdots &0\\\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&\cdots &0&0&\cdots &0&\cdots &m_{N}&\cdots &0\\\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots &\ddots &\vdots \\0&\cdots &0&0&\cdots &0&\cdots &0&\cdots &m_{N}\\\end{bmatrix}}

घूमने वाला डम्बल

घूमता हुआ डम्बल.

एक कम तुच्छ उदाहरण के लिए, द्रव्यमान वाली दो बिंदु-जैसी वस्तुओं पर विचार करें $m 1, m 2$ , लंबाई के साथ कठोर द्रव्यमान रहित छड़ के सिरों से जुड़ा हुआ है $2 R$ , असेंबली निश्चित विमान पर घूमने और स्लाइड करने के लिए स्वतंत्र है। सिस्टम की स्थिति को सामान्यीकृत समन्वय सदिश द्वारा वर्णित किया जा सकता है

\mathbf {q} ={\begin{bmatrix}x&y&\alpha \end{bmatrix}}

कहाँ

x, y

बार के मध्यबिंदु के कार्टेशियन निर्देशांक हैं और

α

कुछ मनमानी संदर्भ दिशा से बार का कोण है। दो कणों की स्थिति और वेग हैं

{\begin{aligned}x_{1}&=(x,y)+R(\cos \alpha ,\sin \alpha )&v_{1}&=\left({\dot {x}},{\dot {y}}\right)+R{\dot {\alpha }}(-\sin \alpha ,\cos \alpha )\\x_{2}&=(x,y)-R(\cos \alpha ,\sin \alpha )&v_{2}&=\left({\dot {x}},{\dot {y}}\right)-R{\dot {\alpha }}(-\sin \alpha ,\cos \alpha )\end{aligned}}

और उनकी कुल गतिज ऊर्जा है

2T=m{\dot {x}}^{2}+m{\dot {y}}^{2}+mR^{2}{\dot {\alpha }}^{2}-2Rd\sin(\alpha ){\dot {x}}{\dot {\alpha }}+2Rd\cos(\alpha ){\dot {y}}{\dot {\alpha }}

कहाँ $m=m_{1}+m_{2}$ और $d=m_{1}-m_{2}$ . इस सूत्र को आव्युह रूप में इस प्रकार लिखा जा सकता है

T={\frac {1}{2}}{\dot {\mathbf {q} }}^{\textsf {T}}\mathbf {M} {\dot {\mathbf {q} }}

कहाँ

\mathbf {M} ={\begin{bmatrix}m&0&-Rd\sin \alpha \\0&m&Rd\cos \alpha \\-Rd\sin \alpha &Rd\cos \alpha &R^{2}m\end{bmatrix}}

ध्यान दें कि आव्युह वर्तमान कोण पर निर्भर करता है $α$ बार का.

सातत्य यांत्रिकी

परिमित तत्व विधि की तरह सातत्य यांत्रिकी के भिन्न-भिन्न अनुमानों के लिए, वांछित कम्प्यूटेशनल त्रुटिहीनता और प्रदर्शन के आधार पर, द्रव्यमान आव्युह के निर्माण के से अधिक तरीके हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, गांठ-द्रव्यमान विधि, जिसमें प्रत्येक तत्व के विरूपण को नजरअंदाज किया जाता है, विकर्ण द्रव्यमान आव्युह बनाता है और विकृत तत्व में द्रव्यमान को एकीकृत करने की आवश्यकता को नकार देता है।

यह भी देखें

संदर्भ

↑ Mathematical methods for physics and engineering, K.F. Riley, M.P. Hobson, S.J. Bence, Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0-521-86153-3
↑ Analytical Mechanics, L.N. Hand, J.D. Finch, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978 0 521 57572 0

[Riley-1] Mathematical methods for physics and engineering, K.F. Riley, M.P. Hobson, S.J. Bence, Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0-521-86153-3

[Hand-2] Analytical Mechanics, L.N. Hand, J.D. Finch, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978 0 521 57572 0

[1]

[2]

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 {{short description|Matrix relating a system's  generalized coordinate vector and kinetic energy}}
-[[विश्लेषणात्मक यांत्रिकी]] में, '''द्रव्यमान मैट्रिक्स''' [[सममित मैट्रिक्स]] है {{math|'''M'''}} जो [[समय व्युत्पन्न]] के मध्य संबंध को व्यक्त करता है <math>\mathbf\dot q</math> [[सामान्यीकृत निर्देशांक]] का {{math|'''q'''}} प्रणाली और [[गतिज ऊर्जा]] की {{mvar|T}} उस प्रणाली का, समीकरण द्वारा
+[[विश्लेषणात्मक यांत्रिकी]] में, '''द्रव्यमान आव्युह''' [[सममित मैट्रिक्स|सममित आव्युह]] है {{math|'''M'''}} जो [[समय व्युत्पन्न]] के मध्य संबंध को व्यक्त करता है <math>\mathbf\dot q</math> [[सामान्यीकृत निर्देशांक]] का {{math|'''q'''}} प्रणाली और [[गतिज ऊर्जा]] की {{mvar|T}} उस प्रणाली का, समीकरण द्वारा
 :<math>T = \frac{1}{2} \mathbf{\dot q}^\textsf{T} \mathbf{M} \mathbf{\dot q}</math>
-कहाँ <math>\mathbf{\dot q}^\textsf{T}</math> सदिश के [[ मैट्रिक्स स्थानान्तरण |मैट्रिक्स स्थानान्तरण]] को दर्शाता है <math>\mathbf{\dot q}</math>.<ref name=Riley/>यह समीकरण द्रव्यमान वाले कण की गतिज ऊर्जा के सूत्र के अनुरूप है {{mvar|m}} और वेग {{math|'''v'''}}, अर्थात्
+कहाँ <math>\mathbf{\dot q}^\textsf{T}</math> सदिश के [[ मैट्रिक्स स्थानान्तरण |आव्युह स्थानान्तरण]] को दर्शाता है <math>\mathbf{\dot q}</math>.<ref name=Riley/> यह समीकरण द्रव्यमान वाले कण की गतिज ऊर्जा के सूत्र के अनुरूप है {{mvar|m}} और वेग {{math|'''v'''}}, अर्थात्
 :<math>T = \frac{1}{2} m|\mathbf{v}|^2 = \frac{1}{2} \mathbf{v} \cdot m\mathbf{v}</math>
 और सिस्टम के प्रत्येक कण की स्थिति को के रूप में व्यक्त करके, इससे प्राप्त किया जा सकता है {{math|'''q'''}}.
-सामान्य तौर पर, द्रव्यमान मैट्रिक्स {{math|'''M'''}} राज्य पर निर्भर करता है {{math|'''q'''}}, और इसलिए समय के साथ बदलता रहता है।
+सामान्यतः, द्रव्यमान आव्युह {{math|'''M'''}} राज्य पर निर्भर करता है {{math|'''q'''}}, और इसलिए समय के साथ बदलता रहता है।
 [[लैग्रेंजियन यांत्रिकी]] [[साधारण अंतर समीकरण]] उत्पन्न करता है (वास्तव में, युग्मित अंतर समीकरणों की प्रणाली) जो सामान्यीकृत निर्देशांक के अनेैतिक रूप से सदिश के संदर्भ में प्रणाली के विकास का वर्णन करता है जो सिस्टम में प्रत्येक कण की स्थिति को पूरी तरह से परिभाषित करता है। उपरोक्त गतिज ऊर्जा सूत्र उस समीकरण का पद है, जो सभी कणों की कुल गतिज ऊर्जा को दर्शाता है।
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 :<math>\mathbf M = \begin{bmatrix} m_1 & 0 \\ 0 & m_2 \end{bmatrix}</math>
 ===एन-बॉडी सिस्टम ===
-अधिक सामान्यतः, की प्रणाली पर विचार करें {{mvar|N}} सूचकांक द्वारा लेबल किए गए कण {{math|1=''i'' = 1, 2, …, ''N''}}, जहां कण संख्या की स्थिति {{mvar|i}} द्वारा परिभाषित किया गया है {{mvar|n{{sub|i}}}} मुक्त कार्टेशियन निर्देशांक (जहां {{math|1=''n{{sub|i}}'' = 1, 2, 3}}). होने देना {{math|'''q'''}} उन सभी निर्देशांकों को समाहित करने वाला स्तंभ सदिश बनें। द्रव्यमान मैट्रिक्स {{math|'''M'''}} [[विकर्ण मैट्रिक्स]] [[ब्लॉक मैट्रिक्स]] है जहां प्रत्येक ब्लॉक में विकर्ण तत्व संबंधित कण का द्रव्यमान हैं:<ref name=Hand/>
+अधिक सामान्यतः, की प्रणाली पर विचार करें {{mvar|N}} सूचकांक द्वारा लेबल किए गए कण {{math|1=''i'' = 1, 2, …, ''N''}}, जहां कण संख्या की स्थिति {{mvar|i}} द्वारा परिभाषित किया गया है {{mvar|n{{sub|i}}}} मुक्त कार्टेशियन निर्देशांक (जहां {{math|1=''n{{sub|i}}'' = 1, 2, 3}}). होने देना {{math|'''q'''}} उन सभी निर्देशांकों को समाहित करने वाला स्तंभ सदिश बनें। द्रव्यमान आव्युह {{math|'''M'''}} [[विकर्ण मैट्रिक्स|विकर्ण आव्युह]] [[ब्लॉक मैट्रिक्स|ब्लॉक आव्युह]] है जहां प्रत्येक ब्लॉक में विकर्ण तत्व संबंधित कण का द्रव्यमान हैं:<ref name=Hand/>
 :<math>\mathbf M = \operatorname{diag}\left[ m_1 \mathbf{I}_{n_1},\, m_2 \mathbf{I}_{n_2},\, \ldots,\, m_N \mathbf{I}_{n_N} \right]</math>
-कहाँ {{math|'''I'''''{{sub|n{{sub|i}}}}''}} है {{math|''n{{sub|i}}'' × ''n{{sub|i}}''}} पहचान मैट्रिक्स, या अधिक पूर्णतः:
+कहाँ {{math|'''I'''''{{sub|n{{sub|i}}}}''}} है {{math|''n{{sub|i}}'' × ''n{{sub|i}}''}} पहचान आव्युह, या अधिक पूर्णतः:
 : <math>\mathbf M = \begin{bmatrix}
    m_1 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 & \cdots & 0 & \cdots & 0 \\
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 और उनकी कुल गतिज ऊर्जा है
 :<math>2T = m\dot x^2 + m\dot y^2 + mR^2\dot\alpha^2 - 2Rd\sin(\alpha) \dot x \dot\alpha + 2Rd\cos(\alpha) \dot y \dot\alpha</math>
-कहाँ <math>m = m_1 + m_2</math> और <math>d = m_1 - m_2</math>. इस सूत्र को मैट्रिक्स रूप में इस प्रकार लिखा जा सकता है
+कहाँ <math>m = m_1 + m_2</math> और <math>d = m_1 - m_2</math>. इस सूत्र को आव्युह रूप में इस प्रकार लिखा जा सकता है
 :<math>T = \frac{1}{2} \dot \mathbf{q}^\textsf{T} \mathbf M \dot \mathbf q</math>
 कहाँ
@@ Line 57: / Line 57: @@
    -Rd\sin\alpha & Rd\cos\alpha &  R^2 m
 \end{bmatrix}</math>
-ध्यान दें कि मैट्रिक्स वर्तमान कोण पर निर्भर करता है {{mvar|α}}बार का.
+ध्यान दें कि आव्युह वर्तमान कोण पर निर्भर करता है {{mvar|α}}बार का.
 =='''सातत्य यांत्रिकी'''==
-परिमित तत्व विधि की तरह सातत्य यांत्रिकी के भिन्न-भिन्न अनुमानों के लिए, वांछित कम्प्यूटेशनल सटीकता और प्रदर्शन के आधार पर, द्रव्यमान मैट्रिक्स के निर्माण के से अधिक तरीके हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, गांठ-द्रव्यमान विधि, जिसमें प्रत्येक तत्व के विरूपण को नजरअंदाज किया जाता है, विकर्ण द्रव्यमान मैट्रिक्स बनाता है और विकृत तत्व में द्रव्यमान को एकीकृत करने की आवश्यकता को नकार देता है।
+परिमित तत्व विधि की तरह सातत्य यांत्रिकी के भिन्न-भिन्न अनुमानों के लिए, वांछित कम्प्यूटेशनल त्रुटिहीनता और प्रदर्शन के आधार पर, द्रव्यमान आव्युह के निर्माण के से अधिक तरीके हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, गांठ-द्रव्यमान विधि, जिसमें प्रत्येक तत्व के विरूपण को नजरअंदाज किया जाता है, विकर्ण द्रव्यमान आव्युह बनाता है और विकृत तत्व में द्रव्यमान को एकीकृत करने की आवश्यकता को नकार देता है।
 == '''यह भी देखें''' ==
@@ Line 67: / Line 67: @@
 * [[निष्क्रियता के पल]]
 * तनाव-ऊर्जा टेंसर
-* [[कठोरता मैट्रिक्स]]
+* [[कठोरता मैट्रिक्स|कठोरता आव्युह]]
 * [[स्क्लेरोनोमस]]

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