Resonance in bounded nonlinear pendulum-type systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Solving nonlinear differential equations with external forces is important for understanding resonant phenomena in the physics of oscillations. The article analyzes this problem basing on example of an ordinary second-order differential equation of the pendulum type, where the nonlinearity is described by a sinusoidal term. The phase plane of such an oscillator is constructed and its periodic trajectories are studied. It is illustrated that bounded nonlinearity matters only at intermediate amplitudes. The excitation of a nonlinear oscillator is carried out using a limited two–component force; the first its component corresponds to an oscillation at the resonant frequency of a linear oscillator, and the second is a limited function with a variable frequency. It is shown that with the appropriate choice of an external force, it is possible to obtain unlimited amplification of oscillations in a pendulum-type oscillator with amplitude linearly proportional to time. Spectral composition of the external force is investigated using short-time Fourier transform. It is demonstrated that in order to maintain the resonant mode, the frequency of the external force must continuously increase. Energy estimates of the external force and oscillator fluctuations depending on time are performed. The considered example is important for understanding resonant conditions in nonlinear problems.

About the authors

Efim N. Pelinovsky

Higher School of Economics; Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: pelinovsky@appl.sci-nnov.ru
ORCID iD: 0000-0002-5092-0302

Doctor of Physical and Mathematical Sciences,  Professor of the Department of Fundamental Mathematics, National Research University «Higher School of Economics»; Chief Researcher, Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, 603155, Россия, Нижний Новгород, ул. Б. Печерская, д. 25/12; 603950, Россия, Н. Новгород, ул. Ульянова, д. 46

Ioann E. Melnikov

Higher School of Economics, Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: melnicovioann@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4560-9648

Student of the Faculty of Informatics, Mathematics and Computer Science

Russian Federation, 25/12 B. Pecherskaya St., Nizhny Novgorod 603150, Russia

References

  1. L. D. Landau, E. M. Lifshitz, Mechanics, Third Edition: Volume 1 (Course of Theoretical Physics), Butterworth-Heinemann, 1976, 200 p.
  2. B. S. Ratner, [Charged particle accelerators], Fizmatgiz Publ., Moscow, 1960 (In Russ.), 115 p.
  3. E. Kartashova, “Nonlinear resonances of water waves”, 2009. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.0905.0050
  4. D. A. Kovriguine, G. A. Maugin, A. I. Potapov, “Multiwave nonlinear couplings in elastic structures”, Mathematical Problems in Engineering, 2006. DOI: https://doi.org/10.1155/MPE/2006/76041
  5. J. Fajans, L. Friedland, “Autoresonant (nonstationary) excitation of pendulums, Plutinos, plasmas, and other nonlinear oscillators”, American Journal of Physics, 69:10 (2001), 1096–1102. DOI: https://doi.org/10.1119/1.1389278
  6. A. A. Andronov, A. A. Witt, S. E. Khaykin, Theory of Oscillators, Cambridge University Press, 1966, 815 p.
  7. V. I. Wexler, “[A new method for accelerating]”, Uspekhi fizicheskikh nauk, 93:11 (1967), 521–523 (In Russ.).
  8. L. Friedland, “Autoresonance in nonlinear systems”, 2009. DOI: https://doi.org/10.4249/scholarpedia.5473
  9. D. I. Trubetskov, D. I. Rozhnev, [Linear oscillations and waves], Fizmatlit Publ., Moscow, 2001 (In Russ.), 416 p.
  10. M. N. Yudin, Yu. A. Farkov, D. M. Filatov, [Introduction to wavelet analysis], Moscow Geological Exploration Academy Publ., Moscow, 2001 (In Russ.), 72 p.
  11. Heinzel G., Rüdiger A., Schilling R., “Spectrum and spectral density estimation by the Discrete Fourier transform (DFT), including a comprehensive list of window functions and some new at-top windows”, 2002.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2026 Pelinovsky E.N., Melnikov I.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».