Sistema resorte-masa con constante de resorte compleja

Supongamos un sistema que contiene una masa metro sobre una superficie sin fricción, unido por un resorte a una pared. La constante del resorte es compleja, dada por k = k 1 + k 2 i , con k 1 k 2 . Escriba la ecuación de movimiento y demuestre que tiene la dinámica de un oscilador amortiguado.

Entonces, la segunda ley de Newton:

metro X ¨ = ( k 1 + k 2 i ) X X ¨ = k 1 + k 2 i metro X
Resolver X = mi λ t , obtenemos
λ 2 = k 1 + k 2 i metro λ = ± 1 metro ( k 1 + k 2 i )
λ = ± k 1 metro i 1 + k 2 k 1 i ± k 1 metro i ( 1 + k 2 2 k 1 i ) = ± k 1 metro i k 1 metro k 2 2 k 1
Aquí es donde estoy atascado. Como las raíces no son conjugadas complejas, no obtenemos la solución.
X ( t ) = mi k 1 metro k 2 2 k 1 t ( A porque ( k 1 metro t ) + B pecado ( k 1 metro t ) )

Que es lo que me guiaron a encontrar. Las soluciones serán complejas, lo cual no es físico.

¿Alguna ayuda?

Respuestas (2)

No soy un gurú de la física (¡todavía!), pero aquí están mis 50 centavos:

Desde λ representa una frecuencia de vibración compleja, no está interesado en una parte real negativa de la raíz (ya que la frecuencia negativa no es física, o al menos en la interpretación ingenua).

Entonces, en cambio, estás tomando la raíz positiva, y luego si λ es una solución a la ODE, también lo es su conjugado.

La solución más general a la ecuación es X = C 1 mi λ t + C 2 mi λ t , donde las constantes son complejas. La elección física de lambda en cada uno de estos términos es la que produce el decaimiento exponencial. Entonces, reemplazando los valores apropiados de λ te dio

X = mi k 1 metro k 2 2 k 1 t ( C 1 mi i k 1 metro t + C 2 mi i k 1 metro t )
Entonces puedes redefinir las constantes complejas como C 1 = ( A i B ) / 2 y C 2 = ( A + i B ) / 2 y usa algunas identidades para obtener la ecuación en la forma que pusiste arriba. Me gustaría señalar que la forma con coeficientes complejos y exponenciales complejos es la forma más general, pero la forma que estaba tratando de encontrar es la forma general de las soluciones reales de las ecuaciones.