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[Semi-Resuelto] 12/06/2009 & 12/07/2010 - Rec - 1er Parcial

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Creo que me hubiese servido algo de esto 😛 Asique se lo dejo por si a alguien le sirve.

Problema 1.

$$\text{Se tiene un sistema de tres pendulos acoplados, como se muestra en la figura.}$$
\(\text{Todos los resortes y las masas son iguales. Considere que todos los resortes se encuentran estirados una longitud}\) \(l<l_{0}\ \text{cuando las particulas estan en reposo.}\)
$$a)\text{Escriba las ecuaciones de movimiento para cada una de las particulas.}$$
$$b)\text{Halle los modos normales y la solucion mas general del movimiento de cada particula.}$$
$$c)\text{Suponga que las particulas se encuentran en la posicion de equilibrio, y a}\ t=0\ \text{se aplica una velocidad}\ v_{0}\ \text{a la particula central, dejando a las otras dos en reposo. Escriba la posicion de las particulas para todo instante posterior.}$$
$$d)\text{De condiciones iniciales para que el sistema se mueva en una combinacion de los dos modos normales de mayor frecuencia.}$$
$$\text{Escriba la ecuacion de movimiento de cada}$$
$$\text{particula para estas condiciones iniciales. Para las condiciones iniciales halladas, que condiciones deben satisfacer}$$
$$\text{las frecuencias de los modos normales para que sea posible observar batidos?}$$

Mas tarde el otro ejercicio y las resoluciones.

Firma

"What we observe is not nature itself, but nature exposed to our method of questioning..."
Werner Heisenberg
ubuntu-user.php?user=28693

Editado 2 veces.

un "consejo" latexístico: fijate de separar "a mano" las frases si las vas a escribir en tex el texto, porque sino -por alguna razon- se pasan (y por bastante) del ancho de la pantalla, y es medio molesto de leer

(al menos para mí, que tengo un montor de 10'' :p)

Firma

Measure your life in love.
("Vete, pues. Existen otros mundos aparte de estos.")

Ahí está. Tenés razón. Es re rompe bolas.

Acá van las resoluciones:

$$1)$$

\(a)\)
Después de pasar a las coordenadas de equilibrio, laburar con polares y todo eso....

$$\begin{Bmatrix} \ddot{\psi_{1}}=-\frac{g}{L}\psi_{1}-\frac{k}{m}\psi_{1}+\frac{k}{m}(\psi_{2}-\psi_{1})& \\ \ddot{\psi_{2}}=-\frac{g}{L}\psi_{2}+\frac{k}{m}(\psi_{3}-\psi_{2})-\frac{k}{m}(\psi_{2}-\psi_{1})\\ \ddot{\psi_{2}}=-\frac{g}{L}\psi_{2}-\frac{k}{m}(\psi_{3}-\psi_{2})-\frac{k}{m}(\psi_{2}-\psi_{1})-\frac{k}{m}\psi_{3}\end{matrix}$$
$$b)$$

Considerando una solución de la forma: \(\psi_{i}(t)=A_{i}\cdot{cos(\omega_{i} t + \varphi_{i})}\)

Se obtiene:

$$-\omega^{2}A_{1}=-\omega_{a}^{2}A_{1}-2\omega_{b}^{2}A_{1}+\omega_{b}^{2}A_{2}$$
$$-\omega^{2}A_{2}=-\omega_{a}^{2}A_{2}-2\omega_{b}^{2}A_{2}+\omega_{b}^{2}A_{1}+\omega_{b}^{2}A_{3}$$
$$-\omega^{2}A_{3}=-\omega_{a}^{2}A_{3}-2\omega_{b}^{2}A_{3}+\omega_{b}^{2}A_{2}$$

Matricialmente:

$$\begin{pmatrix}\omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}-\omega^{2} & -\omega_{b}^{2} & 0 \\ -\omega_{b}^{2} & \omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}-\omega^{2} & -\omega_{b}^{2} \\ 0 & -\omega_{b}^{2} & \omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}-\omega^{2}\end{pmatrix} \begin{pmatrix}A_{1}\\ A_{2} \\ A_{3}\end{pmatrix}=0$$

Obteniendo:

$$\omega_{1}^{2}=\omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}-\sqrt{2}\omega_{b}^{2}$$
$$\omega_{2}^{2}=\omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}$$
$$\omega_{3}^{2}=\omega_{a}^{2}+2\omega_{b}^{2}+\sqrt{2}\omega_{b}^{2}$$

donde: \(\omega_{a}^{2}=\frac{g}{L}\)

$$\omega_{b}^{2}=\frac{k}{m}$$

con los respectivos autovectores:

$$\vec{a}_{1}=\begin{pmatrix}1\\ \sqrt{2}\\ 1\end{pmatrix}$$
$$\vec{a}_{2}=\begin{pmatrix}1\\ 0\\ -1\end{pmatrix}$$
$$\vec{a}_{3}=\begin{pmatrix}1\\ -\sqrt{2}\\ 1\end{pmatrix}$$

Entonces la solucion mas general queda dada por:

$$\begin{pmatrix}\psi_{1}(t)\\ \psi_{2}(t)\\ \psi_{3}(t)\end{pmatrix}=C_{1}\begin{pmatrix}1\\ \sqrt{2}\\ 1\end{pmatrix}cos(\omega_{1}t+\varphi_{1}) + C_{2}\begin{pmatrix}1\\ 0\\ -1\end{pmatrix}cos(\omega_{2}t+\varphi_{2})+ C_{3}\begin{pmatrix}1\\ -\sqrt{2}\\ 1\end{pmatrix}cos(\omega_{3}t+\varphi_{3})$$

**LOS GRAFICOS ESTAN AL REVES. EL PRIMERO CORRESPONDE AL SEGUNDO EJERCICIO. **

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