图2.7 单摆在不同阻尼下的运动情况 总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个: (1) 受到与位移(角度)相反的恢复力; (2) 受到与运动速度相反的阻尼力。 如果没有阻尼力,单摆会在垂直位置左右摆动。阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小(欠阻尼)会使得单摆产生震荡,阻尼力过大(过阻尼)会使得单摆到达平衡位置时间拉长。存在一个阻尼临界阻尼系数,使得单摆最快稳定在平衡位置。 为什么倒立摆在垂直位置时,在受到外部扰动的情况下,无法保持稳定呢?分析倒立摆的受力,如图2.8所示。 图2.8 在车轮上参照系中车体受力分析 倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置,就是因为在它偏离平衡位置的时候,所受到的回复力与位移方向相同,而不是相反!因此,倒立摆便会加速偏离垂直位置,直到倒下。 如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样,稳定在垂直位置呢?要达到这一目的,只有两个办法:一个是改变重力的方向;另一个是增加额外的受力,使得恢复力与位移方向相反才行。由此,能够做的显然只有第二种方式。 10
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