bakalářská práce

Klasické a zlomkové modelování kmitavého pohybu

Text práce 1.44 MB

Autor práce: Ing. Jaromír Hošek

Ak. rok: 2012/2013

Vedoucí: doc. Ing. Tomáš Kisela, Ph.D.

Oponent: doc. Ing. Petr Tomášek, Ph.D.

Abstrakt:

V této práci se zabýváme problematikou tlumených kmitů. Vedle klasického popisu za pomocí členu přímo úměrného první derivaci polohy se soustředíme na model obsahující derivaci neceločíselného řádu, tzv. zlomkový model  tlumených kmitů. Chování obou modelů je studováno prostřednictvím testovacích úloh popisujících pohyb jednoho, dvou, resp. tří těles spojených pružinami. Hlavním nástrojem řešení je metoda Laplaceovy transformace. Kromě výpočetních aspektů diskutujeme i některé kvalitativní vlastnosti řešení, zvláště závislost na řádu derivace ve zlomkovém modelu a chování polohy těžiště soustavy.

Klíčová slova:

Diferenciální rovnice, zlomkový kalkulus, Laplaceova transformace, tlumené kmitání

Termín obhajoby

18.06.2013

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaBznamka

Klasifikace

B

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (B3A-P)

Studijní obor

Matematické inženýrství (B-MAI)

Složení komise

doc. RNDr. Jiří Karásek, CSc. (předseda)
Mgr. Jana Hoderová, Ph.D. (místopředseda)
RNDr. Karel Mikulášek, Ph.D. (člen)
RNDr. Rudolf Hlavička, CSc. (člen)
Ing. Josef Bednář, Ph.D. (člen)


Hlavní téma práce, modelování tlumeného kmitavého pohybu za pomoci zlomkových diferenciálních rovnic, je častým námětem článků renomovaných autorů. Jde o problematiku, jejíž základy dosud nejsou plně usazeny, což klade vyšší nároky na její osvojení. V posuzované práci autor navazuje na myšlenky uvedené např. R. Herrmannem v knize "Fractional Calculus: An Introduction for Physicists".

Ústředním bodem práce je srovnání klasického a zlomkového modelu tlumených kmitů na příkladech jednoho, dvou a tří těles. V těchto početně dosti náročných úlohách autor prokázal schopnost vhodně využít nabytých znalostí matematické analýzy, které následně uplatnil pro dobré osvojení specifických vlastností zlomkového kalkulu, tedy disciplíny, která není součástí osnov a přesahuje tak rámec běžného studia. Pro řešení diferenciálních rovnic byla použita metoda Laplaceovy transformace, která je ve zlomkovém kalkulu v tomto ohledu zcela dominantní technikou. Zvláštní zmínku zaslouží způsob nalezení tvaru vhodného pro zpětnou transformaci u zlomkového modelu (podsekce 4.2.2 a 4.3.2). Uvedená technika dosud není v literatuře běžná, ku cti autora slouží fakt, že se k ní propracoval vlastním úsilím. Výsledky jednotlivých úloh jsou přehledně graficky ilustrovány, čímž je dobře doplněn komentář výhod i nevýhod použitých modelů. Jejich podrobnější rozbor by dalece přesahoval rámec bakalářské práce.

Po formální stránce práce vykazuje některé nedostatky, z nichž nejviditelnějším je záměna lichých a sudých stránek při vazbě práce. Dále pak můžeme zmínit např. chybějící či přebývající tečky a mezery v seznamu literatury, některé překlepy (např. ve jméně autora R. Resnicka), různé formáty obrázků či chyby v sazbě vzorců (např. (2.8)). V celkovém kontextu jsou však tyto skutečnosti nevýznamné a neměly by mít zásadní vliv na hodnocení.

Můžeme konstatovat, že všechny vytyčené cíle práce byly dosaženy. Práce splňuje očekávaní kladená na bakalářskou práci, v technických pasážích je občas dokonce překračuje. Student po celou dobu tvorby práce projevoval vysokou míru iniciativy a píle. 

Bakalářskou práci proto doporučuji k obhajobě s hodnocením B.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu C

Známka navržená vedoucím: B

Bakalářská práce uvádí a srovnává dva přístupy k modelování kmitavého pohybu, a sice modelování prostřednictvím obyčejných diferenciálních rovnic a prostřednictvím zlomkových diferenciálních rovnic. Oba přístupy jsou ilustrovány a srovnány na vybraných úlohách z mechaniky – popis pohybu hmotného bodu na pružině, pohyb soustavy dvou a tří hmotných bodů spřažených pružinami. V těchto úlohách je uvažován odpor prostředí. Zadané cíle práce tak byly splněny.

V bakalářské práci je poměrně mnoho gramatických a typografických chyb, což působí značně rušivým dojmem. Jde především o interpunkci (např. Definice 2.1, první věta kapitoly 2.3, …). Asi nejkřiklavějším případem je první věta strany 22. Překlepy tohoto typu by mělo být snadné odhalit použitím integrovaného českého slovníku v příslušném textovém editoru.
Dále jsou např. dvě rovnítka na straně 5 u funkce E_{1,2}(z^2).
Za neúnosnou považuji chybu při zavedení základního pojmu, na kterém práce stojí, a sice Caputovy derivace (vztah (2.8)). Uvedený vztah je typografickou chybou zcela znehodnocen a je vyloženě zavádějící.

K práci mám dále tyto připomínky:
V definici 2.2 je za obyčejnou diferenciální rovnici označena jen rovnice 1. řádu.
Na str. 8 ve vztahu (2.17) má být ve jmenovateli \lambda namísto a.
Str. 9 – Formulace druhého Newtonova zákona: „Složka zrychlení ve směru…“ – není uvedeno zrychlení čeho. Dále výraz „sil měřených“ není zcela vhodný.
Str. 10. poslední vztah: ve druhé počáteční podmínce má být b_2 namísto b_1.
V kapitole 4 není při formulaci modelu dostatečně řečeno, co je neznámou x a jak je zaveden souřadný systém – umístění počátku.
Str. 12 dole: Ve výrazu pro X(s) má být ve jmenovateli (s+p/2)^2 namísto (s-p/2)^2.

V kapitole 4.2.1 je matematický model formulován jako (4.11). Řešení tohoto systému však prochází transformací a zpětná transformace již uvedena není. Podobně ve 4.2.2. Uvedení řešení x_1(t) a x_2(t) v obou případech (včetně obrázků) by napomohlo k ilustraci závěrů vyslovených na straně 18.

Na straně 18 v popisku obrázků by mělo být  spíše “poloha bodů vůči těžišti” než vzdálenost bodů od těžiště. Dále x1 a x2 v legendě může také působit zavádějícím dojmem (podobně obrázky na straně 28-30).

V textu není uveden odkaz na publikaci [9]. Ten měl být patrně uveden na straně 4 nahoře.

Bakalářskou práci doporučuji k obhajobě s hodnocením „dobře/C“.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis E
Práce s literaturou včetně citací C
Otázky k obhajobě:
  1. Můžete uvést, jak budou vypadat řešení počátečních problémů ve fázové rovině (x_1,x_2) pro úlohy s parametry uvedenými v popiscích obrázků 4.3 až 4.8?

Známka navržená oponentem: C

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová