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Type: TESE DIGITAL
Title: Integrabilidade e ressonâncias : aplicações dos métodos de Melnikov
Title Alternative: Integrability and resonances : applications of the Melnikov methods
Author: Depetri, Gabriela Iunes, 1987-
Advisor: Saa, Alberto Vazquez, 1966-
Abstract: Resumo: Nesta tese estudamos, através dos métodos de Melnikov, o comportamento de dois sistemas dinâmicos que são exemplos paradigmáticos de integrabilidade em Mecânica Clássica, quando sujeitos a perturbações: (i) o pêndulo plano simples, no caso em que o pivô oscila harmonicamente ao longo de um eixo inclinado em relação à direção vertical; e (ii) o problema de Kepler, no caso em que a massa do corpo que gera o campo gravitacional possui momento de quadrupolo. Para o pêndulo simples parametricamente excitado ao longo de uma direção inclinada, analisamos a ocorrência de caos homoclínico, e também de oscilações subharmônicas, com o objetivo de comparar os nossos resultados com aqueles conhecidos para o caso em que a excitação ocorre ao longo da direção vertical. Verificamos que o critério para a ocorrência de caos homoclínico é numericamente muito próximo em ambos os casos, mas em relação à ocorrência de soluções oscilatórias subharmônicas notamos uma diferença relevante devido à quebra de simetria nas equações do movimento do sistema: enquanto para o caso vertical a condição de Melnikov garante apenas a existência de oscilações subharmônicas de ordem par, nada se podendo afirmar em relação às subharmônicas de ordem ímpar, para o caso inclinado ela garante a ocorrência de todo o espectro de ressonâncias. Sabemos que apesar de alguns autores reportarem a ocorrência de oscilações subharmônicas de ordem ímpar no caso vertical, estas são muito raras e difíceis de ser encontradas, ao contrário do que acontece com as oscilações subharmônicas de ordem par. Entretanto, neste trabalho mostramos, através de simulações numéricas e dados experimentais, que no caso inclinado elas podem ser encontradas trivialmente em regiões de ressonância, provavelmente porque as bacias de atração dessas órbitas são de natureza diferente em cada caso. Os dados experimentais apresentados nesta tese foram tomados no Laboratório de Fenômenos Não-Lineares (LFNL) do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), em colaboração com o Prof. Dr. José Carlos Sartorelli. Para o problema de Kepler, as inomogeneidades na distribuição da massa do corpo que gera o campo gravitacional são descritas através de expansão multipolar. Sabemos o termo de dipolo mantém o sistema integrável. O termo de quadrupolo, por sua vez, pode provocar a ocorrência de caos no sistema. Em um trabalho de 2001, Géron e Letelier afirmam, baseados em simulações numéricas, que no caso em que a perturbação é oblata, o sistema é integrável, enquanto se a perturbação é prolata, o sistema pode apresentar caos. Entretanto, em um trabalho mais recente, Letelier it et al mostram, também numericamente, que ambos os casos podem apresentar trajetórias caóticas. Com o nosso trabalho, resolvemos esta inconsistência na literatura, determinando que a ocorrência de caos de fato não depende do tipo da deformação. Nosso resultado está de acordo com o caso mais geral estudado na literatura

Abstract: In this PhD thesis we study, through the Melnikov methods, the behaviour of two dynamical systems that are paradigms of integrability in Classical Dynamics, when subject to perturbations: (i) the planar simple pendulum, in the case that the pivot oscillates harmonically along a tilted direction; and (ii) the Kepler problem, in the case that the mass of the body generating the gravitational field is not homogeneous, but instead presents a quadrupole moment term. To the simple pendulum parametrically excited along a tilted direction, we analyze the occurence of homoclinic chaos, and also of subharmonic oscillatory solutions, willing to compare our results with those already known in the literature in the case the excitation is along the vertical direction. We verified the criterium to the occurence of homoclinic chaos is numerically very close in both cases, but considering the occurence of subharmonic oscillatory orbits we noted an important difference due to the symmetry breaking of the equations of motion describing the system: while in the vertical case the Melnikov conditions can only assure the occurence of even subharmonic oscillations (nothing can be said about the odd subharmonic oscillating solutions), in the tilted case it guarantees the occurence of all subharmonic oscillations. Still some authors report the occurence of odd subharmonic oscillations in the vertical case, unlike the even oscillatory orbits, those are very rare and hard to find. In this work we show, through numeric simulations and experimental data, that in the tilted case they can be easily found in resonance regions, probably because their basins of attraction have different characteristics in both cases. The experimental data presented in this thesis were taken at the Laboratory of Nonlinear Phenomena (LFNL) at the Physics Institute of the University of São Paulo (IFUSP), in collaboration with Prof. Dr. José Carlos Sartorelli. To the Kepler problem, the inhomogeneities in the mass distribution of the heavy body generating the gravitational field are described through multipolar expansion. We know the dipole term keeps the integrability of the system. The quadrupole term, instead, can lead to the occurence of chaotic orbits in the system. In 2001, Géron and Letelier, based on numeric simulations, assert that the system is integrable if the perturbation is of oblate type, but chaotic if it is of prolate type. However, in a more recent work, Letelier et al show, also via numeric computation, that both cases can present chaotic trajectories. We solve this inconsistency in the literature by determining that the occurence of chaos in fact does not depend on the deformation type. Our results agree with the more general case studied in the literature
Subject: Teoria dos sistemas dinâmicos
Mecânica
Gravitação
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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