¿Cómo son las ecuaciones de Euler-Lagrange para un sistema de dos resortes con una masa y gravedad en una dimensión?
Sigamos aplicando principios variacionales a nuestros problemas, en esta oportunidad será una masa con dos resortes y atracción gravitacional:
Debemos tener en cuenta, que para este caso, el movimiento sólo se realiza en el eje y, que correspondera a su coordenada generalizada (después si tendremos problemas con más grados de libertad, todo porque me gusta complicar los problemas.)
El lagrangiano para este caso es:
L=12m˙y2−12ky21−12ky22+mgy
Cómo las energías potenciales de ambos resortes se efectúan sobre la misma masa m, y la suma de los cuadrados de las distancias es igual a la distancia total que efectúan ambos resortes al cuadrado (sea compresión o alargamiento):
y2=y21+y22
Y como la energía potencial para el resorte es V=12ky2 despejando y2=2Vk, reemplazamos en la expresión anterior:
2Vke=2Vk1+2Vk2
1ke=1k1+1k2
Sumamos y obtenemos el valor de la constante equivalente en términos de las constantes de los resortes 1 y 2:
ke=k1k2k1+k2
Así, el lagrangiano queda de la forma:
L=12m˙y2−12key2+mgy
Podemos aplicar las ecuaciones de Euler-Lagrange y obtener la solución de dicha ecuación diferencial análogo al oscilador armónico unidimensional con gravedad:
¨y+kemy=g
y(t)=Asen(ωet+ϕ)+gω2e
Donde A es la amplitud, ωe=√kem=√k1k2(k1+k2)m la frecuencia angular en términos de las constantes de los resortes, t el tiempo, y ϕ el ángulo de fase.
La solución también puede ser representada como:
y(t)=Asen(√k1k2(k1+k2)mt+ϕ)+mg(k1+k2)k1k2
Además es posible generalizar el resultado si tenemos n resortes en serie, así el lagrangiano y la solución toman la forma:
L=12m˙y2−12ky21−12ky22−⋅⋅⋅−12ky2n+mgy
L=12m˙y2+mgy−n∑n=112ky2n
y(t)=Asen(√1m1∑nn=11knt+ϕ)+mgn∑n=11kn
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