Damped Harmonic
Oscillator
Question:	
  
•  A	
  damped	
  harmonic	
  oscillator	
  of	
  a	
  block	
  has	
  mass	
  3.00	
  kg	
  and	
  a	
  spring	
  
constant	
  10.0	
  N/m.	
  The	
  ini<al	
  total	
  energy	
  of	
  the	
  oscillator	
  is	
  E(0)	
  =	
  0.300	
  J	
  
and	
  the	
  amount	
  of	
  energy	
  lost	
  during	
  four	
  oscilla<ons	
  is	
  0.140	
  J.	
  Assuming	
  
that	
  the	
  damping	
  force	
  is	
  of	
  the	
  form	
  FD,x	
  =	
  -­‐bvx,	
  calculate1:	
  
a) The	
  value	
  of	
  the	
  damping	
  constant	
  
b) The	
  percentage	
  decrease	
  in	
  amplitude	
  aLer	
  four	
  oscilla<ons.	
  	
  
c) The	
  frequency	
  of	
  the	
  fourth	
  oscilla<on.	
  How	
  does	
  the	
  frequency	
  of	
  the	
  
fourth	
  oscilla<on	
  compare	
  to	
  the	
  frequency	
  of	
  the	
  first	
  oscilla<on?	
  	
  
	
  
1.	
  Ques<on	
  was	
  derived	
  from	
  example	
  13-­‐11	
  in	
  Physics	
  for	
  Scien<sts	
  and	
  Engineers	
  An	
  Interac<ve	
  Approach.	
  
	
  
Solution	
  to	
  a:	
  
First	
  we	
  must	
  calculate	
  the	
  period.	
  Since	
  we	
  are	
  given	
  the	
  amount	
  of	
  energy	
  
lost	
  during	
  four	
  oscilla<ons	
  to	
  be	
  0.150	
  J	
  we	
  can	
  determine	
  that	
  the	
  damping	
  is	
  
weak	
  and	
  therefore	
  assume	
  that	
  wD	
  =	
  w0.	
  	
  
	
  	
  
T	
  =	
  2π/w0	
  =	
  2π√(m/k)	
  =	
  2π√(3.00	
  kg	
  /	
  10.0	
  N/m)	
  =	
  3.44	
  s	
  
	
  	
  
To	
  find	
  the	
  damping	
  constant,	
  we	
  must	
  solve	
  for	
  b	
  in	
  the	
  following	
  equa<on:	
  
	
  
E(4T)	
  =	
  E(0)e-­‐4bT/m	
  
	
  
We	
  have	
  the	
  values	
  for	
  E(0),	
  t,	
  and	
  m,	
  but	
  we	
  need	
  to	
  find	
  the	
  value	
  for	
  E(4T)	
  so	
  
that	
  we	
  can	
  use	
  the	
  equa<on	
  to	
  isolate	
  for	
  b.	
  	
  
Solution	
  to	
  a	
  cont’d:	
  
We	
  know	
  that,	
  
	
  
	
   	
  E(4)	
  =	
  E(0)	
  –	
  Energy	
  lost	
  in	
  4	
  oscilla<ons	
  
	
   	
  E(4)	
  =	
  0.300	
  J	
  –	
  0.140J	
  =	
  0.160J	
  
	
  	
  
Plugging	
  this	
  back	
  into	
  the	
  previous	
  equa<on	
  we	
  get,	
  
	
  
	
   	
  E(4T)	
   	
  =	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  E(0)e-­‐4bT/m	
  
	
   	
  0.140	
  J	
   	
  =	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  0.300	
  J	
  x	
  e-­‐4b	
  x	
  3.44	
  s/	
  3.00	
  kg	
  	
  	
  
	
   	
  0.467	
   	
  =	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  e-­‐4b	
  x	
  3.44	
  s/	
  3.00	
  kg 	
  	
  
	
   	
  ln	
  (0.467)	
  =	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  (-­‐4b	
  x	
  3.44	
  s)	
  /	
  3.00	
  kg	
  
	
  
	
  b	
  =	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  ln	
  (0.467	
  J)	
  x	
  3.00	
  kg 	
  	
  	
  	
  	
  	
  = 	
  	
  0.167	
  kg/s	
  
	
   	
  	
  	
  	
  	
  (-­‐4	
  x	
  3.44	
  s)	
  
	
  
Solution	
  to	
  b:	
  
Now	
  that	
  we	
  know	
  the	
  damping	
  constant,	
  we	
  can	
  use	
  the	
  following	
  equa<on	
  to	
  relate	
  the	
  
amplitude	
  at	
  t	
  =	
  0s	
  and	
  the	
  amplitude	
  aLer	
  four	
  oscilla<ons.	
  	
  
	
  
Let	
  x	
  =	
  the	
  percentage	
  of	
  the	
  ini<al	
  amplitude	
  aLer	
  four	
  oscilla<ons	
  
	
  
	
   	
   	
  A(4T)	
  =	
  A*e-­‐4bT/2m	
  =	
  x*A	
  
	
  
	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  e-­‐4bT/2m	
  =	
  x	
  
	
  
	
   	
  e(-­‐4	
  x	
  0.167	
  kg/s	
  x	
  3.44	
  s	
  )	
  /	
  (2	
  x	
  3.00	
  kg)	
  =	
  0.682	
  
	
  
Now	
  we	
  know	
  the	
  percentage	
  of	
  the	
  ini<al	
  amplitude	
  that	
  remains	
  aLer	
  four	
  oscilla<ons.	
  
However,	
  the	
  ques<on	
  is	
  asking	
  the	
  percentage	
  of	
  amplitude	
  that	
  is	
  lost	
  aLer	
  four	
  
oscilla<ons.	
  Thus,	
  
	
  	
  
1	
  –	
  0.682	
  =	
  0.318	
  	
  
	
  
or	
  31.8%	
  of	
  amplitude	
  height	
  is	
  lost	
  during	
  the	
  four	
  oscilla<ons.	
  	
  
Solution	
  to	
  c:	
  
	
  
Frequency	
  is	
  given	
  by	
  the	
  formula	
  
f	
  =	
  1/T	
  
Therefore,	
  
	
  1/	
  3.44	
  s	
  =	
  0.29	
  s-­‐1	
  	
  
	
  
Frequency	
  does	
  not	
  change	
  with	
  energy	
  loss	
  and	
  therefore	
  the	
  frequency	
  is	
  	
  
the	
  same	
  for	
  each	
  oscilla<on.	
  
	
  
It	
  is	
  important	
  to	
  understand	
  that	
  	
  
frequency,	
  in	
  this	
  context,	
  is	
  a	
  	
  
measure	
  of	
  oscilla<ons	
  per	
  second.	
  	
  
When	
  fric<on	
  is	
  present,	
  as	
  in	
  the	
  	
  
case	
  with	
  damped	
  harmonic	
  oscilla<on,	
  
energy	
  is	
  lost	
  with	
  each	
  oscilla<on.	
  	
  
As	
  you	
  can	
  see	
  in	
  the	
  graph,	
  energy	
  is	
  lost	
  
and	
  amplitude	
  decreases.	
  However,	
  the	
  	
  
period	
  and	
  frequency	
  remains	
  the	
  same!	
  
	
  
1.	
  Graph	
  is	
  from	
  page	
  371	
  in	
  Physics	
  for	
  Scien<sts	
  and	
  Engineers	
  An	
  Interac<ve	
  Approach.	
  
	
  
	
  
	
  

Damped harmonic oscillator - LO2

  • 1.
  • 2.
    Question:   •  A  damped  harmonic  oscillator  of  a  block  has  mass  3.00  kg  and  a  spring   constant  10.0  N/m.  The  ini<al  total  energy  of  the  oscillator  is  E(0)  =  0.300  J   and  the  amount  of  energy  lost  during  four  oscilla<ons  is  0.140  J.  Assuming   that  the  damping  force  is  of  the  form  FD,x  =  -­‐bvx,  calculate1:   a) The  value  of  the  damping  constant   b) The  percentage  decrease  in  amplitude  aLer  four  oscilla<ons.     c) The  frequency  of  the  fourth  oscilla<on.  How  does  the  frequency  of  the   fourth  oscilla<on  compare  to  the  frequency  of  the  first  oscilla<on?       1.  Ques<on  was  derived  from  example  13-­‐11  in  Physics  for  Scien<sts  and  Engineers  An  Interac<ve  Approach.    
  • 3.
    Solution  to  a:   First  we  must  calculate  the  period.  Since  we  are  given  the  amount  of  energy   lost  during  four  oscilla<ons  to  be  0.150  J  we  can  determine  that  the  damping  is   weak  and  therefore  assume  that  wD  =  w0.         T  =  2π/w0  =  2π√(m/k)  =  2π√(3.00  kg  /  10.0  N/m)  =  3.44  s       To  find  the  damping  constant,  we  must  solve  for  b  in  the  following  equa<on:     E(4T)  =  E(0)e-­‐4bT/m     We  have  the  values  for  E(0),  t,  and  m,  but  we  need  to  find  the  value  for  E(4T)  so   that  we  can  use  the  equa<on  to  isolate  for  b.    
  • 4.
    Solution  to  a  cont’d:   We  know  that,        E(4)  =  E(0)  –  Energy  lost  in  4  oscilla<ons      E(4)  =  0.300  J  –  0.140J  =  0.160J       Plugging  this  back  into  the  previous  equa<on  we  get,        E(4T)    =                  E(0)e-­‐4bT/m      0.140  J    =                  0.300  J  x  e-­‐4b  x  3.44  s/  3.00  kg          0.467    =                  e-­‐4b  x  3.44  s/  3.00  kg        ln  (0.467)  =                (-­‐4b  x  3.44  s)  /  3.00  kg      b  =              ln  (0.467  J)  x  3.00  kg            =    0.167  kg/s              (-­‐4  x  3.44  s)    
  • 5.
    Solution  to  b:   Now  that  we  know  the  damping  constant,  we  can  use  the  following  equa<on  to  relate  the   amplitude  at  t  =  0s  and  the  amplitude  aLer  four  oscilla<ons.       Let  x  =  the  percentage  of  the  ini<al  amplitude  aLer  four  oscilla<ons          A(4T)  =  A*e-­‐4bT/2m  =  x*A                                                                                e-­‐4bT/2m  =  x        e(-­‐4  x  0.167  kg/s  x  3.44  s  )  /  (2  x  3.00  kg)  =  0.682     Now  we  know  the  percentage  of  the  ini<al  amplitude  that  remains  aLer  four  oscilla<ons.   However,  the  ques<on  is  asking  the  percentage  of  amplitude  that  is  lost  aLer  four   oscilla<ons.  Thus,       1  –  0.682  =  0.318       or  31.8%  of  amplitude  height  is  lost  during  the  four  oscilla<ons.    
  • 6.
    Solution  to  c:     Frequency  is  given  by  the  formula   f  =  1/T   Therefore,    1/  3.44  s  =  0.29  s-­‐1       Frequency  does  not  change  with  energy  loss  and  therefore  the  frequency  is     the  same  for  each  oscilla<on.     It  is  important  to  understand  that     frequency,  in  this  context,  is  a     measure  of  oscilla<ons  per  second.     When  fric<on  is  present,  as  in  the     case  with  damped  harmonic  oscilla<on,   energy  is  lost  with  each  oscilla<on.     As  you  can  see  in  the  graph,  energy  is  lost   and  amplitude  decreases.  However,  the     period  and  frequency  remains  the  same!     1.  Graph  is  from  page  371  in  Physics  for  Scien<sts  and  Engineers  An  Interac<ve  Approach.