Pêndulos Estocásticos

De Física Computacional
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Grupo : Gustavo H. Guesser, Joshua L. Kipper, Marcos Pasa.

Pêndulo Simples

Equação de movimento

Primeiramente vamos inserir ruído em um pêndulo simples, que é constituído de uma barra de comprimento , sem massa e rígida que contém uma massa pontual em sua ponta, conforme ilustrado na figura a seguir.

Esquema de um pêndulos simples em um campo gravitacional constante.

Considerando que o pêndulo está sob o efeito da gravidade e se encontra submerso em um fluido viscoso (como o ar), tal que a força de resistência que atua na massa é , a equação de movimento é dada por:

Vamos supor que existe uma força ruidosa atuando em (), que pode ser modelada por um ruído branco gaussiano da seguinte forma

em que é a intensidade do ruído. é caracterizado pelas seguintes propriedades:

Adicionando essa nova força nas equações de movimento, ficamos com

A partir de agora, por questão de simplicidade, vamos supor que , então

Método de integração

Vamos montar um métodos para integrar o sistema no tempo. Primeiramente vamos dividir a equação em duas equações diferencias de primeira ordem, introduzindo a variável , então ficamos com o seguinte sistema

que pode ser escrito na forma diferencial

mas é o incremento do processo de Wiener (), então

Discretizando o tempo e lembrando que a densidade de probabilidade de transição de para tem desvio padrão igual a

em que é uma amostra de uma distribuição gaussiana com média 0 e variância 1, e o método de Euler foi utilizado para a parte determinística da equação.

Nas próximas seções será analisado a energia do sistema, e como o método de Euler não é muito bom para preservar a energia de sistemas conservativos, será utilizado o método preditor corretor (com adição do método de Heun para ) para a parte determinística da equação, que consiste nos seguintes passos:

  • Calcular um theta intermediário:
   
  • Com calcular um theta médio e utilizá-lo para obter um omega intermediário:
   
Em que é a expressão do método de Euler visto logo acima.
  • Recalcular theta utilizando um omega intermediário
   
  • Recalcular omega com um theta intermediário atualizado
   
OBS: No cálculo de e foi utilizado o mesmo .