1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية :

Underdamped Simple Harmonic Motion

المؤلف:  Papoulis, A

المصدر:  Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 2nd ed. New York: McGraw-Hill

الجزء والصفحة:  ...

5-7-2018

1030

Underdamped Simple Harmonic Motion

SHOUnderdamped

Underdamped simple harmonic motion is a special case of damped simple harmonic motion

 x^..+betax^.+omega_0^2x=0

(1)

in which

 beta^2-4omega_0^2<0.

(2)

Since we have

 D=beta^2-4omega_0^2<0,

(3)

it follows that the quantity

gamma = 1/2sqrt(-D)

(4)

= 1/2sqrt(4omega_0^2-beta^2)

(5)

is positive. Plugging in the trial solution x=e^(rt) to the differential equation then gives solutions that satisfy

 r_+/-=-1/2beta+/-igamma,

(6)

i.e., the solutions are of the form

 x=e^(-(beta/2+/-igamma)t).

(7)

Using the Euler formula

 e^(ix)=cosx+isinx,

(8)

this can be rewritten

 x=e^(-(beta/2)t)[cos(gammat)+/-isin(gammat)].

(9)

We are interested in the real solutions. Since we are dealing here with a linear homogeneous ODE, linear sums of linearly independent solutions are also solutions. Since we have a sum of such solutions in (9), it follows that the imaginary and real parts separately satisfy the ODE and are therefore the solutions we seek. The constant in front of the sine term is arbitrary, so we can identify the solutions as

x_1 = e^(-(beta/2)t)cos(gammat)

(10)

x_2 = e^(-(beta/2)t)sin(gammat),

(11)

so the general solution is

 x=e^(-(beta/2)t)[Acos(gammat)+Bsin(gammat)].

(12)

The initial values are

x(0) = A

(13)

x^.(0) = -1/2betaA+B,gamma

(14)

so A and B can be expressed in terms of the initial conditions by

A = x(0)

(15)

B = (betax(0))/(2gamma)+(x^.(0))/gamma.

(16)

The above plot shows an underdamped simple harmonic oscillator with omega=0.3beta=0.4 for a variety of initial conditions (A,B).

For a cosinusoidally forced underdamped oscillator with forcing function g(t)=Ccos(omegat), so

 x^..+betax^.+omega_0^2x=Ccos(omegat),

(17)

define

gamma = 1/2sqrt(4omega_0^2-beta^2)

(18)

alpha = 1/2beta

(19)

for convenience, and then note that

4omega_0^2-beta^2 = 4gamma^2

(20)

omega_0^2 = gamma^2+1/4beta^2

(21)

= gamma^2+alpha^2

(22)

beta = 2alpha.

(23)

We can now use variation of parameters to obtain the particular solution as

 x^*=x_1v_1+x_2v_2,

(24)

where

v_1 = -int(x_1(t)g(t))/(W(t))

(25)

v_2 = int(x_2(t)g(t))/(W(t))

(26)

and the Wronskian is

W(t) = x_1x^._2-x^._1x_2

(27)

= gammae^(-2alphat).

(28)

These can be integrated directly to give

v_1 = -C/gammainte^(alphat)sin(gammat)cos(omegat)dt

(29)

v_2 = C/gammainte^(alphat)cos(gammat)cos(omegat)dt.

(30)

Therefore,

x^*(t) = C((alpha^2+gamma^2-omega^2)cos(omegat)+2alphaomegasin(omegat))/([alpha^2+(gamma-omega)^2][alpha^2+(gamma+omega)^2])

(31)

= C/(sqrt((omega_0^2-omega^2)^2+omega^2beta^2))cos(omegat+delta),

(32)

where use has been made of the harmonic addition theorem and

 delta=tan^(-1)((betaomega)/(omega^2-omega_0^2)).

(33)

 


REFERENCES:

Papoulis, A. Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, pp. 525-527, 1984.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي