द्रव्यमान आव्युह

विश्लेषणात्मक यांत्रिकी में, द्रव्यमान मैट्रिक्स एक सममित मैट्रिक्स है M जो समय व्युत्पन्न के बीच संबंध को व्यक्त करता है $\mathbf {\dot {q}}$ सामान्यीकृत निर्देशांक का q एक 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 $\mathbf {\dot {q}} ^{\textsf {T}}$ वेक्टर के मैट्रिक्स स्थानान्तरण को दर्शाता है $\mathbf {\dot {q}}$.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.

सामान्य तौर पर, द्रव्यमान मैट्रिक्स M राज्य पर निर्भर करता है q, और इसलिए समय के साथ बदलता रहता है।

लैग्रेंजियन यांत्रिकी एक साधारण अंतर समीकरण उत्पन्न करता है (वास्तव में, युग्मित अंतर समीकरणों की एक प्रणाली) जो सामान्यीकृत निर्देशांक के एक मनमाने ढंग से वेक्टर के संदर्भ में एक 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 एक 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, एक ऐसी प्रणाली पर विचार करें जिसमें दो बिंदु-जैसे द्रव्यमान एक सीधे ट्रैक तक सीमित हों। उस सिस्टम की स्थिति को एक वेक्टर 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 m₁, m₂, 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 एक प्रणाली पर विचार करें N एक सूचकांक द्वारा लेबल किए गए कण i = 1, 2, …, 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 वेक्टर बनें। द्रव्यमान मैट्रिक्स M विकर्ण मैट्रिक्स ब्लॉक मैट्रिक्स है जहां प्रत्येक ब्लॉक में विकर्ण तत्व संबंधित कण का द्रव्यमान हैं:

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

कहाँ I_ni है n_i × n_i पहचान मैट्रिक्स, 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 m₁, m₂, लंबाई के साथ एक कठोर द्रव्यमान रहित छड़ के सिरों से जुड़ा हुआ है 2R, असेंबली एक निश्चित विमान पर घूमने और स्लाइड करने के लिए स्वतंत्र है। सिस्टम की स्थिति को सामान्यीकृत समन्वय वेक्टर 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 मैट्रिक्स 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 मैट्रिक्स वर्तमान कोण पर निर्भर करता है αबार का.

सातत्य यांत्रिकी

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

यह भी देखें

• निष्क्रियता के पल
• तनाव-ऊर्जा टेंसर
• कठोरता मैट्रिक्स
• स्क्लेरोनोमस