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Strong Nonlinear Oscillators Analytical Solutions

Aus der Reihe Mathematical Engineering
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Beschreibung

Produktdetails

Einband

Gebundene Ausgabe

Erscheinungsdatum

08.06.2017

Abbildungen

XII, 93 illus., 21 illus. in color., schwarz-weiss Illustrationen, farbige Illustrationen

Verlag

Springer

Seitenzahl

317

Maße (L/B/H)

24,1/16/2,4 cm

Gewicht

664 g

Auflage

2nd edition 2018

Originaltitel

Strongly Nonlinear Oscillators: Analytical Solutions

Sprache

Englisch

ISBN

978-3-319-58825-4

Beschreibung

Produktdetails

Einband

Gebundene Ausgabe

Erscheinungsdatum

08.06.2017

Abbildungen

XII, 93 illus., 21 illus. in color., schwarz-weiss Illustrationen, farbige Illustrationen

Verlag

Springer

Seitenzahl

317

Maße (L/B/H)

24,1/16/2,4 cm

Gewicht

664 g

Auflage

2nd edition 2018

Originaltitel

Strongly Nonlinear Oscillators: Analytical Solutions

Sprache

Englisch

ISBN

978-3-319-58825-4

Herstelleradresse

Springer-Verlag KG
Sachsenplatz 4-6
1201 Wien
AT

Email: ProductSafety@springernature.com

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  • Produktbild: Strong Nonlinear Oscillators
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  • 0.1 Preface to Second Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

    1 Introduction 1

    2 Nonlinear Oscillators 5

    2.1 Physical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.2 Mathematical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.3 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3 Pure Nonlinear Oscillator 19

    3.1 Qualitative analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    3.1.1 Exact period of vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.2 Exact periodical solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.2.1 Linear case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    3.2.2 Odd quadratic nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    3.2.3 Cubic nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    3.3 Adopted Lindstedt-Poincaré method . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    3.4 Modi.ed Lindstedt-Poincaré method . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    3.4.1 Comparison of the LP and MLP methods . . . . . . . . . 32

    3.4.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    3.5 Exact amplitude, period and velocity method . . . . . . . . . . . 34

    3.6 Solution in the form of Jacobi elliptic function . . . . . . . . . . 35

    3.6.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.7 Solution in the form of a trigonometric function . . . . . . . . . . 39

    3.7.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.7.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.8 Pure nonlinear oscillator with linear damping . . . . . . . . . . . 42

    3.8.1 Parameter analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.8.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.9 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    4 Free Vibrations 49

    4.1 Homotopy-perturbation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    4.1.1 Duffing oscillator with a quadratic term . . . . . . . . . . 54

    4.1.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    4.2 Averaging solution procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    4.2.1 Solution in the form of an Ateb function . . . . . . . . . . 57

    4.2.2 Solution in the form of the Jacobi elliptic function . . . . 64

    4.2.3 Solution in the form of a trigonometric function . . . . . . 70

    4.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    4.3 Hamiltonian Approach solution procedure . . . . . . . . . . . . . 75

    4.3.1 Approximate frequency of vibration . . . . . . . . . . . . 75

    4.3.2 Error estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    4.3.3 Comparison between approximate and exact solutions . . 79

    4.3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    4.4 Oscillator with linear damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    4.4.1 Van der Pol oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    4.4.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    4.5 Oscillators with odd and even quadratic nonlinearity . . . . . . . 93

    4.5.1 Qualitative analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    4.5.2 Exact solution for the asymmetric oscillator . . . . . . . . 97

    4.5.3 Solution for the symmetric oscillator . . . . . . . . . . . . 99

    4.5.4 Oscillations in an optomechanical system . . . . . . . . . 104

    4.5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    4.6 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

    5 Oscillators with the time variable parameters 115

    5.1 Oscillators with slow time variable parameters . . . . . . . . . . . 116

    5.2 Solution in the form of the Ateb function . . . . . . . . . . . . . 116

    5.2.1 Oscillator with linear time variable parameter . . . . . . . 119

    5.3 Solution in the form of a trigonometric function . . . . . . . . . . 121

    5.3.1 Linear oscillator with time variable parameters . . . . . . 122

    5.3.2 Non-integer order nonlinear oscillator . . . . . . . . . . . 123

    5.3.3 Levi-Civita oscillator with a small damping . . . . . . . . 124

    5.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

    5.4 Solution in the form of a Jacobi elliptic function . . . . . . . . . 128

    5.4.1 Van der Pol oscillator with time variable mass . . . . . . 130

    5.4.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

    5.5 Parametrically excited strong nonlinear oscillator . . . . . . . . . 137

    5.5.1 Solution procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

    5.5.2 Numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

    5.5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

    5.6 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

    6 Forced Vibrations 151

    6.1 Oscillator with constant excitation force . . . . . . . . . . . . . . 152<

    6.1.1 Solution of the odd-integer order oscillator . . . . . . . . . 154

    6.1.2 The oscillator with additional small nonlinearity . . . . . 158

    6.1.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

    6.1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

    6.2 Harmonically excited pure nonlinear oscillator . . . . . . . . . . . 163

    6.2.1 Pure odd-order nonlinear oscillator . . . . . . . . . . . . . 163

    6.2.2 Bifurcation in the oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

    6.2.3 Harmonically forced pure cubic oscillator . . . . . . . . . 169

    6.2.4 Numerical simulation and discussion . . . . . . . . . . . . 173

    6.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

    6.3 Forced vibrations of the pure nonlinear oscillator . . . . . . . . . 179

    6.3.1 Design of excitation and derivation of amplitude-frequency

    equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

    6.3.2 Special cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

    6.4 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

    7 Two-Degree-of-Freedom Oscillator 185

    7.1 System with nonlinear viscoelastic connection . . . . . . . . . . . 186

    7.1.1 Model with strong nonlinear viscoelastic connection . . . 187

    7.1.2 Solution procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

    7.1.3 Pure nonlinear viscoelastic connection . . . . . . . . . . . 191

    7.1.4 Special case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

    7.1.5 .Steady-state.solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

    7.1.6 Mechanical vibration of the vocal cord . . . . . . . . . . . 198

    7.1.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

    7.2 System with nonlinear elastic connection . . . . . . . . . . . . . . 203

    7.2.1 Two-degree-of-freedom Van der Pol oscillator . . . . . . . 205

    7.2.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

    7.3 Complex-valued di¤erential equation . . . . . . . . . . . . . . . . 213

    7.3.1 Adopted Krylov-Bogolubov method . . . . . . . . . . 214

    7.3.2 Method based on the first integrals . . . . . . . . . . . . . 216

    7.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

    7.4 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

    8 Chaos in Oscillators 231

    8.1 Chaos in ideal oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

    8.1.1 Homoclinic orbits in the unperturbed system . . . . . . . 233

    8.1.2 Melnikov.s criteria for chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

    8.1.3 Numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

    8.1.4 Lyapunov exponents and bifurcation diagrams . . . . . . 241

    8.1.5 Control of chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

    8.1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

    8.2 Chaos in non-ideal oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

    8.2.1 Modeling of the system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

    8.2.2 Asymptotic solving method . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

    8.2.3 Stability and Sommerfeld e¤ect . . . . . . . . . . . . . . . 248

    8.2.4 Numerical simulation and chaotic behavior . . . . . . . . 253

    8.2.5 Control of chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

    8.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

    8.3 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

    9 Vibration of the Axially Purely Nonlinear Rod 263

    9.1 Model of the axially vibrating rod . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

    9.2 Solving procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

    9.2.1 Solving of the equation with displacement function . . . . 266

    9.2.2 Solving of the equation with time function . . . . . . . . . 269

    9.3 Frequency of axial vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

    9.4 Solution illustration and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

    9.5 Period and frequency of vibration of a muscle . . . . . . . . . . . 274

    9.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

    9.7 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

    A Periodical Ateb functions 279

    B Fourier series of the ca Ateb function 283

    C Averaging of Ateb functions 287

    D Jacobi elliptic functions 291

    E Euler's integrals of the first and second kind 293

    F Inverse incomplete Beta function 295