¿Un oscilador armónico amortiguado NO es un sistema disipativo?

Sé que esto suena bastante loco, pero lo dice en mi libro. El argumento es el siguiente:

Dado un oscilador armónico amortiguado

(1) q ¨ + b metro q ˙ + k metro q = 0

este sistema se puede escribir en forma hamiltoniana de la siguiente manera:

H = pag 2 2 metro mi b t / metro + k q 2 2 mi b t / metro
y usando las ecuaciones de movimiento de Hamilton se puede verificar que este hamiltoniano realmente nos da la ecuación ( 1 )

El argumento de por qué esto no es disipativo se debe al Teorema de Louville , el sistema no es disipativo (así lo afirman) porque puede describirse mediante formalismo canónico. Es decir, las soluciones de este sistema son

q ( t ) = mi b t / 2 metro ( A porque ( ω t ) + B pecado ( ω t ) ) , ω = k / metro b ˇ / 4 metro
y
pag ( t ) = metro mi b t / 2 metro ( ( B ω b 2 metro A ) porque ( ω t ) ( A ω + b 2 metro B ) pecado ( ω t ) )

lo que significaría que como q se vuelve más pequeño, pag se vuelve más grande y, por lo tanto, el área en el espacio de fase se conserva (como en la imagen)Espacio de fase para este problema (o al menos debería serlo)

Como el área es proporcional a mi / ω y ω es una constante por lo que es mi !

Obviamente, esto es incorrecto, y debe haber alguna suposición oculta que no estamos tomando en cuenta (y probablemente tenga que ver con el hecho de que pag se está haciendo exponencialmente más grande con el tiempo...) ¿Qué es esta suposición, qué está tratando de decirme? Definitivamente no es que la energía sea constante en un oscilador amortiguado, ¿verdad?

Hmm, es casi como si la energía disipada estuviera "oculta" en pag - ¿Podría ser que este es un modelo donde pag actúa como un entorno que absorbe la energía disipada. Después de todo, un oscilador armónico amortiguado en una caja podría modelarse como el oscilador que impulsa un depósito de calor que no produce ninguna fuerza de reacción ordenada.
Creo que puede ser en la suposición de que hay un hamiltoniano para empezar con la ecuación de movimiento. Por lo general, usaríamos el oscilador hamiltoniano no amortiguado para obtener las ecuaciones de movimiento y colocaríamos la amortiguación a mano. Dicho de otra manera, para un sistema de oscilador amortiguado físico, diría que la energía del sistema está dada por el hamiltoniano armónico habitual, y no el que escribió en la pregunta
Hmm, ¿podría dar una referencia para esto? Estaba interesado en leer exactamente lo que está escrito en su libro de texto.

Respuestas (1)

El hamiltoniano que escribiste describe un sistema dinámico completo en el que la energía se conserva y no es adecuado para sistemas de disipación, podría ser una extensión dinámica de la primera ley de la termodinámica. El argumento de su libro es cierto que "puede ser descrito por formalismo canónico". Sin embargo, un sistema disipativo puede describirse mediante corchetes de Poisson no canónicos.

El profesor PJ Morrison tiene un buen artículo en el que revisó y desarrolló las formulaciones de soporte de sistemas dinámicos completos e incompletos.

http://w3fusion.ph.utexas.edu/ifs/ifsreports/IFSR%201337.pdf

Te recomiendo encarecidamente que leas este artículo también:

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-8949/1982/T2B/032