x Contents
3 Lagrange’s Equation of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1 Analytical Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1.1 Generalized variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.1.2 Virtual displacements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1.3 Virtual work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.2 Lagrange’s Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.1 Mechanical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.3.2 Electrical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.3.3 Fluid systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4 Constrained Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1 Constraint Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.1.1 Displacement and flow constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.1.2 Dynamic constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.1.3 Effort constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2 Lagrange’s Equation with Displacement Constraints . . . . . . . . 166
4.2.1 Application to displacement constrained systems . . . . . 168
4.3 Lagrange’s Equation with Flow Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.3.1 Application to flow constrained systems . . . . . . . . . . . . . 176
4.4 Lagrange’s Equation with Effort Constraints and Dynamic
Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.5 The Lagrangian Differential-Algebraic Equations . . . . . . . . . . . 189
4.5.1 The Underlying ODEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5 Numerical Solution of ODEs and DAEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1 First-order Methods for ODEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1.1 The explicit Euler method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.1.2 The implicit Euler method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.1.3 Integration errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.2 Higher-order Methods for ODEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.2.1 The Taylor series method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.2.2 Explicit Runge-Kutta methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.2.3 Implicit Runge-Kutta methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.2.4 An implicit Runge-Kutta Algorithm for ODEs . . . . . . . 223
5.3 Numerical Solution of DAEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.3.1 Hessenberg form for the DAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.2 Implicit Runge-Kutta methods for DAEs . . . . . . . . . . . . 234
5.3.3 Index reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.3.4 Consistent initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.3.5 An implicit Runge-Kutta method for IDEs . . . . . . . . . . 242