Considere o sistema com duas massas e três molas cujas equações de movimento são as Eq.

(22) no texto. Suponha que m1 = 1, m2 = 4/3, k1 = 1, k2 = 3, k3 = 4/3 .

(a) Como no texto, transforme o sistema em quatro equações de primeira ordem da forma y' = A * y . Determine a matriz de coeficientes A .

(b) Encontre os autovalores e autovetores de A .

(c) Escreva a solução geral do sistema.

(d) Descreva os modos fundamentais de vibração. Para cada modo fundamental, desenhe gráficos de y1 e de y2 em função de t. Desenhe, também, as trajetórias correspondentes nos planos y1y3 e y2y4.

(e) Considere as condições iniciais y(0) = (2, 1, 0, 0)^T . Calcule as constantes arbitrárias na

solução geral do item (c). Qual é o período do movimento nesse caso? Desenhe gráficos de y1 e de y2 em função de t. Desenhe, também, as trajetórias correspondentes nos planos y1y3 e y2y4. Certifique-se de que você compreende como as trajetórias são percorridas durante um período completo.

(f) Considere outras condições iniciais de sua escolha e desenhe gráficos semelhantes aos

pedidos no item (e).

Passo 1

e) vamos lá, temos a solução geral executada já no item (c) e agora temos um problema de valor inicial.

Temos que:

y 0 = 2 1 0 0

Trazendo da solução do item (c):

y = c 1 cos ⁡ t cos ⁡ t - s e n   t - s e n   t + c 2 s e n   t s e n   t cos ⁡ t cos ⁡ t + c 3 4 cos ⁡ 5 2 t - 3 cos ⁡ 5 2 t - 10 s e n 5 2 t 15 2 s e n 5 2 t + c 4 4 s e n 5 2 t - 3 s e n 5 2 t 10 cos ⁡ 5 2 t - 15 2 cos ⁡ 5 2 t

Aplicando y 0 , temos:

y 0 = c 1 1 1 0 0 + c 2 0 0 1 1 + c 3 4 - 3 0 0 + c 4 0 0 10 - 15 2 = 2 1 0 0

E teremos o seguinte sistema:

c 1 + 4 c 3 = 2

c 1 - 3 c 3 = 1

c 2 + 10 c 4 = 0

c 2 - 15 2 c 4 = 0

Resolvendo este sistema, por meio de substituição, temos as seguintes soluções:

c 1 = 10 7 ; c 2 = 0 ; c 3 = 1 7 ; c 4 = 0

E quesito o período será de 4 π , pois cos ⁡ t e s e n   t possuem períodos de 2 π e cos ⁡ 5 2 t e s e n 5 2 t possuem um período de 4 5 π e dois períodos se encontram em 4 π .

Passo 2

Após o calculo do problema de valor inicial, temos que desenhar os gráficos das soluções, vamos lá.

Gráfico de y 1 × t :

y 2 × t :

Passo 3

Desenhando os gráficos das trajetórias, no plano y 1 y 3 :

Temos também a trajetória no plano y 2 y 4 :

Resposta

c 1 = 10 7 ; c 2 = 0 ; c 3 = 1 7 ; c 4 = 0

E um período de 4 π

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