¿Es posible aplicar las ecuaciones de Hamilton-Jacobi a un sistema de dos resortes con una masa en una dimensión? (Resortes en serie)
Completamos nuestro desarrollo de soluciones aplicando el formalismo de Hamilton-Jacobi al problema de una masa con dos resortes:
El hamiltoniano para este caso es:
H(px,x)=p2x2m+12kx21+12kx22=E
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):
x2=x21+x22
Y como la energía potencial para el resorte es V=12kx2 despejando x2, x2=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, a partir del hamiltoniano aplicamos las ecuaciones de Hamilton-Jacobi, como se conserva la energía, el hamiltoniano es igual a la energía del sistema:
p2x2m+12kex2=E
12m(∂S0∂x)2+12kex2=E
Obtenemos un resultado análogo al oscilador armónico sencillo visto con anterioridad, su integral completa, el momento del sistema, la integral integro-diferencial del sistema y su solución:
S(x)=∫√2m(E−12k1k2(k1+k2)x2)dx−Et
∂S(x)∂x=px=√2m(E−12k1k2(k1+k2)x2)
∂S(x)∂E=βE=∫m√2m(E−12k1k2(k1+k2)x2)dx−t
x(t)=x0sen(ωet+π4)
La solución también puede ser representada como:
x(t)=x0sen(√k1k2(k1+k2)mt+π4)
Además es posible generalizar el resultado si tenemos n resortes en serie, así las ecuaciones de Hamilton-Jacobi, la integral completa y la solución toman la forma:
12m(∂S0∂x)2+n∑n=112knx2n=E
S(x)=∫√2m[E−121∑nn=11knx2]dx−Et
x(t)=x0sen(√1m1∑nn=11knt+π4)
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