Ecuación del movimiento armónico simple
Enunciado
Dada la ecuación ecuación de movimiento
demuestra que la función
es solución. Empleando relaciones trigonométricas, deduce la relación entre las constantes {A,φ} y las constantes {a,b} de la solución general
Expresa A y φ en función de la posición y la velocidad iniciales, x0 y v0.
- Calcula la velocidad de la partícula para cualquier instante en función de la posición y velocidad iniciales.
- Demuestra que la cantidad
no depende del tiempo. ¿Cuánto vale en función de las condiciones iniciales?
- Demuestra que x = ejωt, con , la unidad imaginaria, es una solución particular de la ecuación de movimiento. Aplicando los resultados anteriores, demuestra la relación
2 Solución
Una manera alternativa de escribir la solución general a la ecuación del oscilador armónico es en la forma
donde A es la amplitud del movimiento y es su desfase.
Veamos en primer lugar que se trata de una solución de la ecuación de movimiento. Derivando dos veces
y sustituyendo
Por tanto, es una solución de la ecuación de movimiento. Queda por ver que se trata de una solución general.
Dado que la solución general de la ecuación de movimiento puede escribirse en la forma indicada en el enunciado, la que acabamos de comprobar también podrá escribirse en la misma forma, esto es, existen dos constantes a y b tales que
Para hallar sus valores, aplicamos la relación trigonométrica
que, aplicada a nuestro caso, da
Puesto que a y b deben ser independientes del tiempo, y esta relación debe cumplirse en todo instante, los coeficientes de y de un miembro deben ser iguales a los del otro miembro:
o, equivalentemente
Estas relaciones, y las anteriores, permiten calcular A y , dados a y b arbitrarios, y viceversa. Esto quiere decir que la solución en términos de la amplitud y el desfase no es solamente una solución particular, sino una general.
Gráficamente, el paso de las constantes {a,b} a las constantes {A,φ} equivale a un paso de cartesianas a polares, siendo A el módulo y el ángulo.
En términos de las condiciones iniciales
2.1 Conservación de la energía
Existen varias formas de demostrar la conservación de la energía mecánica
2.1.1 Derivada temporal
La forma más general de demostrar que una cantidad es una constante de movimiento (o integral primera) es probando que su derivada respecto al tiempo se anula.
En nuestro caso, m y k son constantes del problema, pero x y v son funciones del tiempo, así que la derivada de la energía, aplicando dos veces que
resulta
pero lo que define al oscilador armónico es que
así que, sustituyendo
y, puesto que la derivada de la energía respecto al tiempo se anula en todo instante, la energía es constante.
El cálculo anterior no nos dice cuánto vale la energía, pero si es constante debe ser igual al valor que tiene en el instante inicial, esto es
2.1.2 A partir de la amplitud y el desfase
El método anterior permite demostrar la constancia de la energía sin necesidad de conocer la solución de la ecuación de movimiento. No obstante, si esta se conoce, el cálculo puede ser más sencillo.
Demostramos antes que una solución general es de la forma
Sustituyendo en la expresión de las energías, tenemos
- Energía cinética:
- Energía potencial:
- Energía mecánica:
que nos dice que la energía no solo es constante, sino que es proporcional al cuadrado de la amplitud de las oscilaciones. Obsérvese que tanto la energía cinética como la potencial son cantidades oscilantes. Es su suma la que permanece constante. Durante el movimiento oscilatorio la energía cinética se transforma en potencial y viceversa.
En términos de las condiciones iniciales
2.1.3 A partir de las condiciones iniciales
La constancia de la energía también puede demostrarse directamente a partir de la expresión
Sustituyendo tenemos la energía cinética
y la energía potencial
Sumando y aplicando que
2.2 Fórmula de Euler
En este apartado aparece un concepto matemático que puede resultar novedoso: una exponencial de argumento complejo (imaginario puro, en este caso). De lo que se tratará es precisamente de interpretarlo en términos de resultados conocidos.
Demostremos, en primer lugar, que la función
es una solución particular de la ecuación de movimiento. Derivando dos veces
Sustituyendo en la ecuación de movimiento
Por tanto, esta función es una solución de la ecuación y, como tal, deben existir constantes tales que
Estas constantes las sacamos de la “posición” y “velocidad” iniciales (las comillas se deben a que estamos hablando de cantidades complejas, sin una interpretación física inmediata).
Para la posición
Para la velocidad
Combinando los dos resultados
Esta es la llamada fórmula de Euler, que nos dice que una exponencial de un número imaginario es un número complejo, cuya parte real es el coseno de la parte imaginaria del exponente y cuya parte imaginaria el seno de esta misma parte imaginaria.
El módulo de este número complejo es la unidad, mientras que su argumento es precisamente ωt. Dado que en una oscilación esta cantidad va aumentando progresivamente, la representación más adecuada de ejωt es en forma de número complejo rotante en torno al origen. Las proyecciones de este vector rotante sobre los ejes son precisamente las funciones oscilantes cos(ωt) y .
Más en general, puede calcularse la exponencial de un número complejo cualquiera, empleando la propiedad de que la exponencial de una suma es el producto de exponenciales,
Aplicando el mismo razonamiento a la función e − jωt, que también es una solución particular de la ecuación de movimiento, resulta
y combinando ambas expresiones, podemos redefinir el coseno como
y el seno como
Según esto, el coseno y el seno pueden entenderse como combinaciones de exponenciales complejas.
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