Es ist allgemein bekannt, dass die Zeitdauer eines harmonischen Oszillators bei Masse liegt und Federkonstante konstant sind .
Allerdings würde mich interessieren, wie lange der Zeitraum ist ist nicht konstant. Ich habe Stunden um Stunden nach richtigen Antworten von Google gesucht und nichts gefunden. Ich suche nach einer analytischen Lösung.
Hier ist eine Lösung für eine Federkraft, die sich direkt mit der Verschiebung ändert. Sie variiert somit implizit mit der Zeit, hat aber keine explizite Abhängigkeit von der Zeit oder irgendeiner anderen Variablen.
Finden Sie die Schwingungsdauer,
Ausgehend von der Energieerhaltung muss die Summe der kinetischen und potentiellen Energie der Masse gleich der Gesamtenergie sein, die konstant ist.
Jetzt bei , , So ist bekannt.
Und das haben wir
Weil , wir können auch schreiben
Für den linearen Fall gilt , So Und , was gibt
Auf die Annahme können wir verzichten ist ungerade, wenn wir zwei Amplitudenwerte definieren: für die Amplitude in positiver Richtung und für die Amplitude in negativer Richtung.
Die gesamte Oszillatorenergie, , also können wir es immer noch nennen solange wir uns daran erinnern, was das jetzt bedeutet.
Dann ist die Zeitspanne doppelt so lang wie die benötigte Zeit, um ab zu gehen Zu , und so
Aus Newtons zweitem Gesetz haben wir (ob konstant ist oder nicht), dass:
Um eine praktische Antwort zu erhalten, müssen Sie bestimmen, wie k variiert. Wenn beispielsweise k mit der Temperatur variiert, würde ich seinen Wert bei -50, 0 und 50 Grad bestimmen, dann diese Werte verwenden und T berechnen (das sich umgekehrt als Quadratwurzel von k ändert). Ich würde mehr Punkte verwenden, wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist. Wenn eine Formel erforderlich ist, würde ich die "Best-Fit-Kurve" durch die Punkte verwenden, um sie zu generieren.
Okay, meines Wissens nach gibt es einige Fälle mit einer zeitabhängigen Federkonstante, bei denen eine Lösung in geschlossener Form bekannt ist. Einer meiner Favoriten ist der folgende, bei dem die Federkonstante eine Potenzfunktion ist. Annehmen, dass Wo Und . Dann nimmt die betreffende ODE eine Form an:
Das Ergebnis wird in https://math.stackexchange.com/questions/673737/solution-to-a-second-order-ordinary-differential-equation auf verschiedene Weise bewiesen .
Einen schnellen und schmutzigen "Beweis" liefert der folgende Mathematica-Code:
In[166]:= w =.; b =.; t =.;
Table[FullSimplify[(D[#, {t, 2}] + w^2/t^(2 b) #) & /@ {Sqrt[
t] BesselJ[eps/(2 b - 2), w/(b - 1) t^(1 - b)]}], {eps, -1, 1,
2}]
Out[167]= {{0}, {0}}
Nachdem wir dies alles gesagt haben, wäre es natürlich, unsere ODE zu verallgemeinern, indem wir die Potenzfunktion durch eine lineare Kombination von zwei Potenzfunktionen ersetzen. Mit anderen Worten, wir suchen Lösungen für die folgende ODE:
Ich habe lange versucht, dieses Problem ohne nennenswerten Erfolg zu lösen (siehe jedoch https://math.stackexchange.com/questions/1018897/an-ordinary-differential-equation-with-time-varying-coefficients ). Der übliche Weg „Ergebnis in Mathematica stecken“ oder „Mathematiker fragen“ hat zu nichts geführt. Wie es scheint, hinkt die Mathematik wie üblich mehrere Jahrzehnte hinter der Physik her und wird sie niemals einholen...;-).
Floris
dr_pilz
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Floris
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