3.4.9. Точка, совершающая гармонические колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях $x$,$y$, движется по траектории, которая называется фигурой Лиссажу. Докажите, что если частоты колебаний относятся как целые числа, то эта фигура — замкнутая кривая. Какой вид имеет фигура Лиссажу при равных частотах?
Решение
Попробуйте использовать метод «выпрямить кривое», следя отдельно за движением точки по оси $x$ и $y$, отражая участки траекторий по этим осям так, чтобы мнимая траектория шла в одном направлении (не накладывалась на себя). Это можно рисовать в сетке с длиной ячейки, кратной амплитуде по соответствующей оси.
Общее доказательство. Пусть частоты по осям $x$ и $y$ соотносятся соответственно как
$$\frac{\nu_x}{\nu_y}=\frac{p}{q},$$
где $p$ и $q$ есть целые числа.
Тогда за однои то же время число колебаний по этим осям соответственно
$$\frac{N_x}{N_y}=\frac{p}{q}.$$
Если, например, по оси $x$ точка совершила $N_x$ колебаний, то по оси $y$ она совершила
$$N_y=N_x\frac{q}{p}.$$
Пусть $N_x$ есть целое, хотя $q/p$ есть в общем не целое! Если подобрать $N_x^*=kp$, где $k$ есть целое, то соответственно получим
$$N_y^*=kp\frac{q}{p}=kq.$$
А $kq$ (произведение целых) есть целое.
Это значит, что по осям $x$ и $y$ точки вернулись в начальные фазы одновременно. То есть они оказались в начальной точке. Движение повторяется с теми же начальными условиями по той же кривой.
При равных частотах траектоия точки найдена в задаче $3.4.3.\text{б}$. Это будет эллипс.
Литература
[1] Журнал «Квант».
[2] Башмаков М.И. Беккер Б.М. Гольховой В.М. Задачи по математике: алгебра и анализ. Библиотечка «Квант». 1982.
Ответ
Если $T_x : T_y = p : q$, где $p$ и $q$ — целые числа, то за время $pT_y = qT_x$ точка вернется в свое начальное положение. При $T_y = T_x$ траектория точки — эллипс.