Una partícula de masa m está inicialmente en reposo en x = 0. Se actúa mediante una fuerza [matemática] F = Acosh (\ beta t) [/ matemática]. Demuestre que para valores pequeños de t, la posición es aproximadamente [matemática] x (t) = \ frac {1} {2} \ frac {F_0} {m} t ^ 2 [/ matemática] donde [matemática] F_0 = F (t = 0) [/ matemáticas]?

Una partícula de masa [matemática] m [/ matemática] está inicialmente en reposo en [matemática] x = 0 [/ matemática] . Se actúa sobre una fuerza [matemática] F = A \ cosh (\ beta t) [/ matemática] . Demuestre que para valores pequeños de [matemática] t [/ matemática] , la posición es aproximadamente [matemática] x (t) = \ frac12 \ frac {F_0} mt ^ 2 [/ matemática] donde [matemática] F0 = F (t = 0) [/ matemáticas] ?

Supongo que el demonio que te planteó este problema pretendía que integraras la fuerza dos veces y luego aproximaras la función resultante. Sin embargo, ¿por qué no hacer primero la aproximación? Ya sabes

[matemáticas] \ cosh (x) = \ frac12 (\ exp (x) + \ exp (-x)) [/ matemáticas]

[math] = \ frac12 (1 + x + x ^ 2/2 + \ dots + 1-x + x ^ 2/2 – + \ dots) = 1 + x ^ 2 + \ dots [/ math] donde se omite los términos son de orden parejo.

Entonces, para ordenar [matemática] t ^ 4 [/ matemática] la fuerza es [matemática] A (1+ \ beta ^ 2 t ^ 2) [/ matemática] y la velocidad es aproximadamente [matemática] \ frac Am (t + \ frac13 \ beta ^ 2 t ^ 3) [/ math] y la distancia recorrida es [math] \ frac Am (\ frac12t ^ 2 + \ frac1 {12} \ beta ^ 2 t ^ 4) [/ math] para ordenar [ matemáticas] t ^ 6 [/ matemáticas].

Debe verificar las condiciones iniciales y masajear esto en la forma requerida.

Existe la identidad cinemática familiar que relaciona la fuerza y ​​la aceleración:

[matemáticas] F = ma [/ matemáticas]

donde [matemática] F [/ matemática] es fuerza, [matemática] m [/ matemática] es masa y [matemática] a [/ matemática] es aceleración.

Sabemos que la función de aceleración es la segunda derivada de la función de posición:

[matemáticas] a = \ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}} [/ matemáticas]

Luego está la identidad que relaciona la función exponencial y cosh:

[matemáticas] \ cosh (x) = \ frac {e ^ {x} + e ^ {- x}} {2} [/ matemáticas]

Entonces ahora podemos hacer algunas matemáticas:

[matemáticas] F = ma \ Rightarrow a = \ frac {F} {m} = \ frac {A \ cosh (\ beta t)} {m} [/ math]

[matemáticas] = \ frac {A \ cdot \ frac {e ^ {\ beta t} + e ^ {- \ beta t}} {2}} {m} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ Rightarrow a = \ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}} = \ frac {A \ cdot (e ^ {\ beta t} + e ^ {- \ beta t})} {2m} [/ matemáticas]

Ahora tomamos el límite cuando t se acerca a 0

[matemáticas] \ lim_ {t \ a 0} \ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}} = \ lim_ {t \ a 0} \ frac {A \ cdot (e ^ {\ beta t } + e ^ {- \ beta t})} {2m} [/ math]

[matemáticas] = \ frac {A \ cdot (e ^ {0} + e ^ {0})} {2m} = \ frac {A} {m} [/ matemáticas]

Si ahora integramos dos veces

[matemáticas] x (t) = \ frac {At ^ {2}} {2m} [/ matemáticas]

La fuerza inicial es F (t) cuando t = 0

[matemáticas] F_ {0} = A \ cdot \ cosh (\ beta 0) = A \ cdot 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] x (t) = \ frac {At ^ {2}} {2m} = \ frac {F_ {0} t ^ {2}} {2m} [/ matemáticas]