Physics 321 Hour 33 Coupled Oscillators I

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Transcript Physics 321 Hour 33 Coupled Oscillators I

Physics 321
Hour 33
Coupled Oscillators I
Example I
k1
x1
k2
x2
k3
1
1
2
𝑇 = π‘š1 π‘₯1 + π‘š2 π‘₯22
2
2
1
1
1
2
2
π‘ˆ = π‘˜1 π‘₯1 + π‘˜2 π‘₯2 βˆ’ π‘₯1 + π‘˜3 π‘₯22
2
2
2
1
1
1
2
2
𝐿 = π‘š1 π‘₯1 + π‘š2 π‘₯2 βˆ’ π‘˜1 π‘₯12
2
2
2
1
1
βˆ’ π‘˜2 π‘₯2 βˆ’ π‘₯1 2 βˆ’ π‘˜3 π‘₯22
2
2
Example I
k1
x1
k2
x2
1
1
1
1
2
2
2
𝐿 = π‘š1 π‘₯1 + π‘š2 π‘₯2 βˆ’ π‘˜1 π‘₯1 βˆ’ π‘˜2 π‘₯2 βˆ’ π‘₯1
2
2
2
2
k3
2
1
βˆ’ π‘˜3 π‘₯22
2
π‘š1 π‘₯1 = βˆ’π‘˜1 π‘₯1 + π‘˜2 π‘₯2 βˆ’ π‘₯1 = βˆ’ π‘˜1 + π‘˜2 π‘₯1 + π‘˜2 π‘₯2
π‘š2 π‘₯2 = βˆ’π‘˜3 π‘₯2 βˆ’ π‘˜2 π‘₯2 βˆ’ π‘₯1 = βˆ’ π‘˜2 + π‘˜3 π‘₯2 + π‘˜2 π‘₯1
Example I
k1
π‘š1
0
x1
k2
π‘˜1 + π‘˜2
0 π‘₯1
=βˆ’
π‘š2 π‘₯2
βˆ’π‘˜2
𝐌π‘₯ = βˆ’πŠπ‘₯
x2
k3
π‘₯1
βˆ’π‘˜2
π‘˜2 + π‘˜3 π‘₯2
Normal Modes
Assume solutions of the form:
π‘₯1 𝑑 = 𝐴1 sin πœ”π‘‘ + πœ‘1
π‘₯2 𝑑 = 𝐴2 sin πœ”π‘‘ + πœ‘2
Note that πœ” is the same in both equations! – This
defines a β€œnormal mode.”
Then 𝐌π‘₯ = βˆ’πœ”2 𝐌π‘₯ = βˆ’πŠπ‘₯
Normal Modes - Method 1
𝐌π‘₯ = βˆ’πœ”2 𝐌π‘₯ = βˆ’πŠπ‘₯
β†’ det 𝐊 βˆ’ πœ”2 𝐌 = 0
π‘˜1 + π‘˜2 βˆ’ πœ”2 π‘š1
βˆ’π‘˜2
=0
2
βˆ’π‘˜2
π‘˜2 + π‘˜3 βˆ’ πœ” π‘š2
β€’ Modified eigenvalue problem
β€’ Solve for πœ”2
π‘₯1
2
β€’ Use 𝐊 βˆ’ πœ” 𝐌 π‘₯ = 0 to solve for π‘₯1 and π‘₯2
2
β€’ Easiest by hand.
Normal Modes - Method 2
𝐌π‘₯ = βˆ’πœ”2 𝐌π‘₯ = βˆ’πŠπ‘₯
πŒβˆ’1 𝐊π‘₯ = πœ”2 π‘₯
β†’ det 𝐌 βˆ’1 𝐊 βˆ’ πœ”2 𝟏 = 0
β€’
β€’
β€’
β€’
Standard eigenvalue problem
Eigenvalues are πœ”2
Eigenvectors are normal modes
Easiest with Mathematica
Examples
coupled oscillators.nb
normal coords.nb