Ist die Periode eines harmonischen Oszillators wirklich amplitudenunabhängig?

Angenommen, wir haben einen harmonischen Oszillator, der der Kraftregel gehorcht:

F = k X
Damit lautet die Bewegungsgleichung:
X ¨ + k M X = 0
was analytisch gelöst werden kann als:
X ( T ) = X ( 0 ) cos ( k M T ) + X ˙ ( 0 ) k M Sünde ( k M T )
woraus klar ist, dass die Periode seiner zeitlichen Schwingung gegeben ist durch T = 2 π M k . Nun, so wie ich den Begriff "Amplitude" verstehe, bezieht er sich auf die maximale Verschiebung des harmonischen Oszillators aus seiner Gleichgewichtsposition, die in diesem Fall einfach der Ursprung der ist X -Achse. Daraus folgt die Einstellung X ˙ ( T ) := 0 , Finden des Wertes von T das dies erfüllt (es gibt unendlich viele, aber wir brauchen nur einen), und dann diesen Wert von einstecken T in die Funktion X ( T ) , sollte ich die Amplitude der Schwingung erhalten. Wenn wir das besonders nennen T -Wert T = T , hier bekomme ich:
X ( T ) = X ( 0 ) | X ( 0 ) | k M + X ˙ ( 0 ) | X ˙ ( 0 ) | M k X ˙ ( 0 ) 2 + X ( 0 ) 2 k M = A
Wo A steht für Amplitude. Aber wenn Sie die Substitution vornehmen T = 2 π M k wo immer Sie in diesem Ausdruck können, dann können Sie das überprüfen A T 0 , und daher scheint die Aussage "Periode ist unabhängig von der Amplitude" (auch bekannt als Eigenschaft der Isochronie) falsch zu sein? Eine Möglichkeit, diese Aussage richtig zu machen, besteht darin, anzunehmen, dass der harmonische Oszillator im Ruhezustand beginnt (dh X ˙ ( 0 ) = 0 ), aber ich bin mir nicht sicher, ob die Leute nur gemeint haben, dass dieser Ausdruck auf diese Ausgangssituation zutrifft, oder ob er eine allgemeinere Anwendbarkeit haben sollte.

Irgendwo musst du einen Fehler haben. Bedenken Sie, dass es immer an einem Punkt auf dem Pfad ruht, und Sie könnten Ihre Stoppuhr an diesem Punkt gestartet haben. Sie sollten also absolut nicht feststellen, dass die Antwort vom Wert abhängt X ˙ ( 0 ) .
Sie interpretieren die allgemeine Aussage falsch, die darauf hinweist, dass Sie Periode und Amplitude in einer Lösung unabhängig voneinander variieren können. Es ist nicht so, dass Amplitude und Periode für ein und dieselbe Lösung unabhängig sind !

Antworten (2)

Die Periode ist unabhängig von der Amplitudenhaltung k Und M fest (und variierende Anfangsbedingungen). Ihre Berechnung versucht, die Anfangsbedingungen festzuhalten und zu variieren k Und M .

Können Sie Ihre Antwort erläutern, indem Sie zeigen, wo ich möglicherweise variiert habe? k Und M ? Ich habe jedenfalls nicht den Eindruck, dass ich das mache, seit wann ich differenziert habe X ( T ) gegenüber T , Ich behandelte k / M als Konstante ... (falls Sie das gemeint haben).
@SurfaceIntegral Sie versuchen zu finden A als Funktion von X ( 0 ) Und X ˙ ( 0 ) . Um von Ihrer Ausgangsposition und -geschwindigkeit zur Amplitude zu gelangen, müssen Sie die Federkonstante und die Masse kennen. Also für fest X ( 0 ) Und X ˙ ( 0 ) , A wird abhängen k / M (gleichbedeutend, A wird abhängen T ). Im Wesentlichen, wenn Sie nehmen D A / D T unter der Annahme T ist proportional zu M / k , du variierst notwendigerweise k Und M unter Beibehaltung X ( 0 ) Und X ˙ ( 0 ) Fest.
@Oberfläche Später nehmen Sie eine Ableitung in Bezug auf T , eine Funktion von M Und k . Dies ist nicht sinnvoll, wenn M Und k sind konstant.

Ich bin mir nicht sicher, warum du das so kompliziert machst. Schreiben

(1) X ( T ) = A cos ( ω T ) + B Sünde ( ω T ) ,
Wo ω 2 = k / M , A = X ( 0 ) Und B = X ˙ ( 0 ) / ω . Seit X ( 0 ) Und X ˙ ( 0 ) willkürlich sind, so sind A Und B .

Schreiben Sie nun (1) um als

X ( T ) = C cos ( ω T φ ) = C cos ( φ ) cos ( ω T ) + C Sünde ( φ ) Sünde ( ω T )
so klar A = C cos ( φ ) Und B = C Sünde ( φ ) .

Offensichtlich in dieser Form die Amplitude C = A 2 + B 2 willkürlich ist (seit A Und B sind willkürlich) und nicht abhängig von ω . Jetzt die Amplitude C hängt von den Anfangsbedingungen ab

(2) C = X 2 ( 0 ) + X ˙ 2 ( 0 ) / ω 2
aber du hast immer noch die freiheit zu wählen X ( 0 ) Und X ˙ ( 0 ) zu machen C was immer Sie wollen, unabhängig davon ω .

Ordentlicher Avatar. Ich habe der OP-Frage einen offensichtlich dekonstruktiven Kommentar hinzugefügt, aber ich könnte ihn hierher verschieben, wenn Sie möchten. oder besser, Sie könnten es als Ihre Pointe annehmen.