¿Cuáles son los modos de vibración en un resorte oscilante?

Estoy viendo el problema de un oscilador acoplado, donde tenemos 3 resortes conectados entre dos paredes de la siguiente manera: pared, luego resorte (k), luego masa (m), luego resorte (2k), luego masa (m) , luego resorte (k), luego pared.

He calculado las frecuencias características (creo) usando el hecho de que tendremos

metro d 2 X d t 2 = k X + 2 k ( y X ) = 3 k X + 2 k y
y
metro d 2 y d t 2 = k y 2 k ( y X ) = 3 k y + 2 k X .

Así tenemos en un nuevo sistema de coordenadas

metro ( X ¨ Y ¨ ) = k ( 3 2 2 3 ) ( X y ) .

Evaluando la matriz en la expresión anterior obtengo Autovalores m 1 = 5 y m 2 = 1 . Los vectores propios unitarios serán

mi ^ 1 = 1 2 ( 1 1 )
y
mi ^ 2 = 1 2 ( 1 1 ) .

Así que en el nuevo sistema de coordenadas que tengo

( X ¨ Y ¨ ) = k metro ( m 1 0 0 m 2 ) ( X Y ) .
Esto implica que
X ¨ = 5 k metro X
y
Y ¨ = k metro Y .

Resolviendo estas ecuaciones obtenemos

X = A s i norte ( ω 1 t + α )
y
Y = B s i norte ( ω 2 t + β ) ,
dónde ω 1 = 5 k metro y ω 2 = k metro .

Ahora necesito encontrar la frecuencia característica y el modo de vibración. (Por favor, no dé ninguna respuesta ya que esta es una tarea que me gustaría resolver por mí mismo).

Q1 . ¿Estoy en lo correcto al pensar que la frecuencia característica es simplemente F = ω / 2 π , o estoy malinterpretando cuál es la frecuencia característica?

Q2 . ¿Cuál es el modo de vibración? Entiendo qué es esto para una onda longitudinal que oscila entre dos puntos fijos, pero creo que este sistema es transversal, y estoy luchando por pensar cuáles podrían ser los modos de vibración.

Por favor, ¿alguien puede verificar si mi comprensión de cuál es la frecuencia característica es correcta y, de no ser así, podría explicar qué es? Además, ¿alguien puede explicar cuál es el modo de vibración en un sistema transversal como este?

Para tu información, en tu Latex, necesitas escapar del "pecado" usando "\" para que se vea bien.
Gracias, sin embargo, llegaste medio año demasiado tarde, me di cuenta de esto no hace mucho;)

Respuestas (1)

El sistema de dos ecuaciones diferenciales acopladas se caracteriza por sus valores propios y sus vectores propios. Los has encontrado. Ahora, volvamos a la parte física de la tarea.

Los valores propios son frecuencias de dos modos normales de oscilaciones. Ahora, puede haber diferentes convenciones, y uno puede definir la frecuencia como ω o ω 2 π , pero en mi opinión, ω servirá.

Los modos de oscilación tienen que ver con los vectores propios. La segunda pregunta se puede reformular como "Si el sistema oscila en uno de sus modos normales, ¿cómo se mueven exactamente las dos masas (en el sistema de coordenadas original)?". O, en otras palabras, "¿Cuál es el movimiento descrito por cada uno de los vectores propios?".

Espero que te dé suficientes pistas.

Bueno, gracias. Entonces, con mi vector propio (1,1), las dos masas se moverán a la derecha y luego a la izquierda, y así sucesivamente (¿en SHM?). Con mi vector propio (1,-1), el resorte del medio se comprimirá, luego se estirará, luego se comprimirá y así sucesivamente. ¿Tiene sentido esta interpretación?
@OllyPrice, sí, eso es exactamente lo que sucede.