Aggiunto a onde la trattazione completa dell'oscillatore armonico forzato

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@@ -27,7 +27,7 @@ L'oscillatore è un modello idealizzato che noi studieremo per avere una base so
Immaginiamo di avere un piano orizzontale senza alcun attrito sulla quale posizioniamo una massa vincolata ad un punto fisso tramite una molla ideale.
\end{defJ}
NOTA: La molla è definita ideale in quanto non ha massa e rispetta perfettamente la legge di Hooke.
NOTA: La molla è definita ideale in quanto non ha massa e rispetta la legge di Hooke.
Definito questo modello di base iniziamone lo studio.
Immaginiamo di spostare la massa dalla posizione di equlibrio della molla.
@@ -202,13 +202,13 @@ Esiste anche un'altra grandezza ricavata da $\omega_p$, che è strettamente lega
\section{Energia Oscillatore Armonico}
Facciamo lo studio dell'energia di un oscillatore armonico.
Per condizioni di stabilità sappiamo che il potenziale $U$ ha delle caratteristiche ben precise chiare in un espansione di Taylor-McLawrin:
Per condizioni di stabilità sappiamo che il potenziale $U$ ha delle caratteristiche ben precise in un espansione di Taylor-McLawrin:
\begin{align*}
U(x) &= U(0) + \der{U(0)}{x} x + \frac 1 2 \der{U(0)}{x^2} x^2 + \dots\\
U(x) &= U(0) + \derx{U(0)} x + \frac 1 2 \derxx{U(0)} x^2 + \dots\\
U(0) &= const.\\
\der{U(0)}{x} &= 0\\
\der{U(0)}{x^2} &> 0
\derx{U(0)} &= 0\\
\derxx{U(0)} &> 0
\end{align*}
Ciò è intuitivo se pensiamo che per avere un oscillatore bisogna essere in una buca di potenziale.
@@ -236,7 +236,7 @@ Studiamo l'energia meccanica totale e chiamiamo il paramentro $\alpha$ per parla
\begin{align*}
E_m = K + U\\
K = \frac 1 2 m \dert{x}\\
K = \frac 1 2 m \8\dert{x} \9^2\\
U = \frac 1 2 \alpha x^2
\end{align*}
@@ -625,7 +625,257 @@ Scrivamo la formula in modo chiaro:
%%\section{Oscillatore armonico forzato}
\section{Oscillatore armonico forzato}
L'oscillatore smorzato è destinato a fermarsi, immaginiamo di dare energia al sistema.
Introduciamo quindi una forzate:
\[
\dertt{x} + 2 \gamma \dert{x} + \omega_p^2 x = \frac{F_0}{m} \cos \omega_F t
\]
Oscillatore forzato con forzante periodica o armonica.
Anche in questo caso bisogna identificare una soluzione e la teoria delle equazioni differenziali ci dice che si ottiene sommando la soluzione generale per l'equazione differenziale omogenea associata e una soluzione particolare dell'equazione completa.
Nel nostro caso noi già abbiamo la soluzione generale dell'omogenea associata:
\[
x_0(t) = A e^{-\gamma t} \cos (\omega t + \varphi_0)
\]
Perciò la soluzione generale sarà:
\[
x(t) = A e^{-\gamma t} \cos (\omega t + \varphi_0) + x_p(t)
\]
Come troviamo $x_p(t)$ ? Sicuramente ha una forma ben specifica:
\[
x_p(t) = B \cos(\omega_f t + \varphi)
\]
Quali valori di $B$ e $\varphi$, se esistono, devo sostituire?
\[
x(t) = A e^{-\gamma t} \cos (\omega t + \varphi_0) + B \cos(\omega_f t + \varphi)
\]
Questa è molto interessante perché per $ t >> \tau = \frac 1 \gamma$, superata la fase transiente, $x(t) = x_p(t)$.
In altre parole quando il sistema va a regime la componente che decade come un esponenziale è 0.
Tutto quello che resta è soltanto l'onda data dalla forzante.
\begin{dimJ}{Dimostrazione della soluzione, parte 1}{dim:sol}
Introduciamo una funzione complessa \(z(t)\) tale che \(x(t)=\Re[z(t)]\).
Poiché \(\cos\alpha=\Re(e^{i\alpha})\), lequazione reale equivale alla parte reale di
\[
\dertt{z} + 2\gamma \dert{z} + \omega_p^2 z = \frac{F_0}{m} e^{i\omega_f t}.
\]
Consideriamo prima l'equazione omogenea:
\[
\dertt{z_h} + 2\gamma \dert{z_h} + \omega_p^2 z_h = 0.
\]
La soluzione caratteristica è \(z_h(t)=C e^{(-\gamma+i\omega)t}\), dove \(\omega=\sqrt{\omega_p^2-\gamma^2}\).
Scrivendo \(C=A e^{i\varphi_0}\), otteniamo
\[
z_h(t)=A e^{-\gamma t} e^{i(\omega t+\varphi_0)}.
\]
Prendendo la parte reale:
\[
x_h(t)=A e^{-\gamma t}\cos(\omega t+\varphi_0),
\]
che è il primo termine richiesto.
\end{dimJ}
\begin{dimJ}{Dimostrazione della soluzione, parte 2}{dim:sol2}
Cerchiamo ora una soluzione particolare nella forma \(z_p(t)=K e^{i\omega_f t}\)
Calcoliamo le derivate:
\[
\dert{z_p} = i\omega_f K e^{i\omega_f t}, \qquad \dertt{z_p} = -\omega_f^2 K e^{i\omega_f t}
\]
Sostituendo nellequazione complessa:
\[
(-\omega_f^2 K + 2 i\gamma\omega_f K + \omega_p^2 K)e^{i\omega_f t} = \frac{F_0}{m} e^{i\omega_f t}
\]
Dividendo per \(e^{i\omega_f t}\):
\[
K(\omega_p^2 - \omega_f^2 + 2i\gamma\omega_f) = \frac{F_0}{m}
\]
Da cui:
\[
K = \frac{F_0/m}{\omega_p^2-\omega_f^2+2i\gamma\omega_f}
\]
Scriviamo \(K = B e^{i\varphi}\). Allora:
\[
z_p(t)=B e^{i(\omega_f t+\varphi)}
\]
Prendendone la parte reale:
\[
x_p(t)=B\cos(\omega_f t+\varphi)
\]
che coincide con il secondo termine della soluzione proposta.
La soluzione complessiva è:
\[
z(t)=A e^{(-\gamma+i\omega)t} e^{i\varphi_0} + B e^{i(\omega_f t+\varphi)}
\]
Prendendo la parte reale si ottiene finalmente:
\[
x(t)=A e^{-\gamma t}\cos(\omega t+\varphi_0) + B\cos(\omega_f t+\varphi)
\]
che soddisfa lequazione originale. CVD.
\end{dimJ}
\subsection{Condizioni Iniziali}
Sfruttiamo i risultati della dimostrazione.
Poniamo ora \(D = \omega_p^2-\omega_f^2 + 2 i \gamma \omega_f\)
Il modulo del denominatore è
\[
\abs{D} = \sqrt{(\omega_p^2 - \omega_f^2)^2 + (2\gamma\omega_f)^2}
\]
Quindi il modulo di \(K\) è
\[
B = \abs{K} = \frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_p^2 - \omega_f^2)^2 + (2\gamma\omega_f)^2}}
\]
Scriviamo ora \(K = B e^{i\varphi}\), proprio come nella dimostrazione.
Per determinare langolo \(\varphi\) osserviamo che \(K\) è il reciproco (a meno di un fattore reale positivo \(F_0/m\)) del numero complesso
\[
D = a + ib \qquad\text{con}\quad a = \omega_p^2 - \omega_f^2,\quad b = 2\gamma\omega_f
\]
Il motivo per cui compare il reciproco risulta dalla soluzione particolare: si impone la forma \(z_p(t)=K e^{i\omega_f t}\), la si inserisce nellequazione differenziale e i termini derivati producono un fattore complesso moltiplicativo che è proprio \(D\).
Per soddisfare lequazione, questo fattore deve essere compensato dividendo per esso, dunque \(K\) è proporzionale a \(1/D\).
In altre parole, il numero complesso \(D\) “pesa” la risposta del sistema, e \(K\) deve contenerne il reciproco per annullarlo.
Il numero \(D = a + ib\) può essere rappresentato come vettore nel piano complesso con una certa lunghezza \(\abs{D}\) e un certo angolo \(\theta\).
Questo angolo soddisfa:
\[
\tan\theta = \frac{b}{a}
\]
perché il rapporto tra parte immaginaria e parte reale è la tangente dellangolo del vettore.
Dunque possiamo scrivere
\[
D = \abs{D}\, e^{i\theta}
\]
Il reciproco ha la forma
\[
\frac{1}{D} = \frac{1}{\abs{D}} e^{-i\theta}
\]
Qui si vede immediatamente che il reciproco inverte langolo del numero complesso.
Otteniamo quindi
\[
\varphi = -\theta = -\arctan\!\left(\frac{2\gamma\omega_f}{\omega_p^2-\omega_f^2}\right)
\]
\subsection{Casi particolari}
Compresa la natura delle condizioni iniziali possiamo fare una minima discussione di quello che succede per semplici limiti notevoli.
\subsubsection*{Caso \(\gamma \sim 0\)}
Quando lo smorzamento è molto piccolo, il termine transitorio decade molto lentamente e il sistema si comporta come un oscillatore quasi conservativo.
In particolare, nel coefficiente di risposta stazionaria
\[
B = \frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_p^2 - \omega_f^2)^2 + (2\gamma\omega_f)^2}}
\]
il termine \(2\gamma\omega_f\) al denominatore diventa trascurabile tranne che in prossimità della risonanza.
Ne segue che, lontano dalla risonanza, la risposta del sistema è molto piccola, mentre in prossimità di \(\omega_f \sim \omega_p\) il denominatore tende a valori molto bassi e lampiezza cresce sensibilmente.
Nel limite \(\gamma \to 0\) la risonanza tende a diventare infinitamente “stretta” e il sistema oscilla con ampiezza molto grande quando la frequenza di forzamento coincide con quella naturale.
\subsubsection*{Caso \(\omega_f \sim \omega_p\)}
Quando la frequenza di forzamento si avvicina alla frequenza naturale, il termine
\[
(\omega_p^2 - \omega_f^2)^2
\]
nel denominatore della risposta si riduce drasticamente. Il valore di \(B\) diventa quindi dominato dal termine di smorzamento
\[
(2\gamma\omega_f)^2
\]
e ciò porta a un picco di ampiezza attorno alla risonanza.
Per \(\gamma\) piccolo, questo picco è particolarmente accentuato e la curva della risposta assume la tipica forma risonante molto appuntita.
In sintesi, per \(\omega_f \sim \omega_p\) la risposta del sistema è grande e dominata quasi completamente dal regime forzato, mentre il transitorio diventa trascurabile dopo tempi brevi.
\subsubsection*{Comportamento di \(\varphi\) per \(\omega_f \sim \omega_p\)}
La fase si ottiene da
\[
\varphi = - \arctan\!\left(\frac{2\gamma\omega_f}{\omega_p^2 - \omega_f^2}\right)
\]
Quando \(\omega_f\) si avvicina a \(\omega_p\), il termine \(\omega_p^2 - \omega_f^2\) tende a zero e il rapporto nella tangente diventa molto grande.
Ciò implica che langolo tende a
\[
\varphi \to -\frac{\pi}{2}
\]
poiché la tangente cresce senza limite e larctangente tende a \(\pm \pi/2\) a seconda del segno.
Nel caso tipico con \(\gamma > 0\) e \(\omega_f\) crescente verso \(\omega_p\), largomento è positivo e dunque la fase risulta negativa e vicina a \(-\pi/2\).
Fisicamente questo significa che, in prossimità della risonanza, loscillazione imposta dal forzamento è in ritardo di un quarto di periodo rispetto alla forza esterna, comportamento caratteristico degli oscillatori debolmente smorzati.
Si dice che oscillazione e forzamento sono in quadratura di fase.
\section{Energia oscillatore armonico forzato}
Per situazioni \(\tau >> \frac 1 \gamma\) vale la soluzione:
\[
x(t) = B \cos(\omega t + \varphi)
\]
Come sempre sappiamo:
\[
E_m = K + U \qquad
K = \frac 1 2 m \8\dert{x} \9^2 \quad
U = \frac 1 2 \alpha x^2
\]
Facciamo la derivata della soluzione:
\[
\dert{x} = - B \omega \sin(\omega t + \varphi)
\]
Sostituendo otteniamo:
\[
K = \frac 1 2 m B^2 \omega^2 \sin^2(\omega t + \varphi) \quad
U = \frac 1 2 \alpha B^2 \cos^2(\omega t + \varphi)
\]
Ricordiamo che \(\omega_p^2 = \frac \alpha m \imp \alpha = \omega_p^2 m\).
La soluzione risulta quindi:
\[
E_m = K + U = \frac 1 2 m B^2 \8 \omega^2 \sin^2(\omega t + \varphi) + \omega_p^2 \cos^2(\omega t + \varphi) \9
\]
Questa formula sembra del tutto simile alla soluzione che avevamo trovato per il moto armonico semplice, ma i 2 termini non si compensano esattamente.
Ciò è ragionevole in quanto l'energia cinetica è data dal moto forzato, mentre l'energia elastica segue il moto della molla.
Infatti se la forzante fosse in risonanza(\(\omega = \omega_p\)):
\[
E_m = \frac 1 2 m \omega_p^2 B^2
\]
Ritroviamo un oscillatore armonico semplice.
In questo modo stiamo dando l'energia istantaneamente quando viene persa con la forzante.
Torniamo al caso generale:
\begin{align*}
E_m = K + U = \frac 1 2 m B^2 \8 \omega^2 \sin^2(\omega t + \varphi) + \omega_p^2 \cos^2(\omega t + \varphi) \9\\
E_m = \frac 1 2 m B^2 \{ \omega^2 [1 - \cos^2(\omega t + \varphi)] + \omega_p^2 \cos^2(\omega t + \varphi) \}\\
E_m = \frac 1 2 m B^2 \{ \omega^2 + (\omega_p^2 - \omega^2) \cos^2(\omega t + \varphi) \}
\end{align*}
L'equazione dell'energia non decade ma oscilla tra 2 valori d'energia.
L'oscillatore è quindi un moto perpetuo, ma questo non va contro le leggi della fisica poiché al sistema viene continuamente data energia.