Nos sistemas dinâmicos descritos por equações diferenciais estocásticas (SDEs), a presença de ruído e a interação entre componentes podem gerar um comportamento complexo. Uma ferramenta poderosa para analisar esses sistemas é o método de média estocástica, que simplifica as equações dinâmicas ao substituir os termos estocásticos por suas médias, o que facilita o estudo do comportamento geral do sistema. No contexto dos sistemas Hamiltonianos quase-integráveis excitados por ruído de banda larga estacionário, essa abordagem revela-se particularmente útil para entender a evolução e a distribuição do sistema ao longo do tempo.

Considerando um sistema Hamiltoniano com dois graus de liberdade, descrito pelas equações estocásticas

dH1=m1(H,ψ)dt+σ1k(H,ψ)dBHk(t),dH_1 = m_1(H, \psi) dt + \sigma_1k(H, \psi) dB_{Hk}(t),
dH2=m2(H,ψ)dt+σ2k(H,ψ)dBHk(t),dH_2 = m_2(H, \psi) dt + \sigma_2k(H, \psi) dB_{Hk}(t),
dψ=m3(H,ψ)dt+σ3k(H,ψ)dBHk(t),d\psi = m_3(H, \psi) dt + \sigma_3k(H, \psi) dB_{Hk}(t),

onde m1,m2,m3m_1, m_2, m_3 são os coeficientes de deriva, e σ1,σ2,σ3\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3 são os coeficientes de difusão. Estes coeficientes podem ser expressos em termos dos parâmetros do sistema e das funções de correlação do ruído, como demonstrado nas equações a seguir.

Os coeficientes de deriva m1,m2,m3m_1, m_2, m_3 para o sistema com ruído estacionário de banda larga podem ser descritos por:

m1(H1,H2,ψ)=γ1H11γ2H12γ2(1+cos2ψ)H1H2,m_1(H_1, H_2, \psi) = \gamma_1 H_1 - \frac{1}{\gamma_2} H_1^2 - \gamma_2(1 + \cos 2\psi) H_1 H_2,
m2(H1,H2,ψ)=γ1H2γ2H221γ2(1+cos2ψ)H1H2,m_2(H_1, H_2, \psi) = \gamma_1 H_2 - \gamma_2 H_2^2 - \frac{1}{\gamma_2}(1 + \cos 2\psi) H_1 H_2,
m3(H1,H2,ψ)=14γ2sin(2ψ)(H1+H2).m_3(H_1, H_2, \psi) = \frac{1}{4} \gamma_2 \sin(2\psi)(H_1 + H_2).

Além disso, os coeficientes de difusão b11,b22,b33b_{11}, b_{22}, b_{33} são fornecidos por:

b11(H1,H2,ψ)=4πD1S(ω)H1,b_{11}(H_1, H_2, \psi) = 4\pi D_1 S(\omega) H_1,
b22(H1,H2,ψ)=4πD1S(ω)H2,b_{22}(H_1, H_2, \psi) = 4\pi D_1 S(\omega) H_2,
b33(H1,H2,ψ)=πS(ω)(D1H1+D2H2).b_{33}(H_1, H_2, \psi) = \pi S(\omega) \left( \frac{D_1}{H_1} + \frac{D_2}{H_2} \right).

A equação de Fokker-Planck reduzida associada a essas SDEs pode ser escrita como uma equação parcial diferencial (PDE) que descreve a evolução da distribuição de probabilidade do sistema ao longo do tempo. Quando D1=D2D_1 = D_2, essa equação apresenta uma solução exata para a função de distribuição de probabilidade, que pode ser expressa como:

p(h1,h2,ψ)=Cexp{12[γ1(h1+h2)2πD1S(ω)γ2(h12+h22)γ2(1+cos2ψ)h1h2]}.p(h_1, h_2, \psi) = C \exp\left\{ \frac{1}{2}\left[ \gamma_1(h_1 + h_2) - 2\pi D_1 S(\omega) - \gamma_2(h_1^2 + h_2^2) - \gamma_2(1 + \cos 2\psi) h_1 h_2 \right] \right\}.

A partir dessa solução, podem ser obtidas as funções de distribuição marginal, como p(h1)p(h_1), p(h2)p(h_2), e p(ψ)p(\psi), bem como outras estatísticas importantes, como o valor esperado de H1H_1, H2H_2, e os momentos quadráticos de outras variáveis do sistema.

Quando se considera a simulação numérica do sistema original e a solução analítica da equação de Fokker-Planck, observa-se uma boa concordância entre os resultados, como demonstrado em gráficos de PDFs estacionárias e distribuições marginais, bem como na comparação dos valores esperados de H1H_1 e Q12Q_1^2.

A aplicação do método de média estocástica a sistemas Hamiltonianos quase-integráveis excitados por ruído de banda larga estacionário permite uma análise detalhada da dinâmica do sistema em uma ampla região dos parâmetros, incluindo a análise do índice de Hurst HH e da frequência ω\omega. Este método é eficaz não apenas para sistemas com ruído de banda larga, mas também pode ser adaptado para situações em que o sistema é excitado por combinações de ruído harmônico e de banda larga, como veremos em seções posteriores.

É crucial, no entanto, que o leitor compreenda que, embora o método de média estocástica simplifique significativamente a análise de sistemas complexos, ele pressupõe uma série de condições ideais, como a existência de um regime estacionário e a adequação do ruído modelado pelas distribuições de banda larga estacionária. Quando essas condições não são atendidas, a precisão dos resultados pode ser afetada, exigindo o uso de abordagens mais sofisticadas, como a simulação direta ou o uso de modelos de ruído não estacionário.

Como os Métodos de Averaging Estocástico Aplicam-se a Sistemas Hamiltonianos Quase-Integráveis sob Excitações de Ruído

Os sistemas Hamiltonianos quase-integráveis, sujeitos a excitações de ruído, apresentam uma complexidade significativa que desafia as abordagens tradicionais de análise. Quando a excitação envolve ruído largo e harmônico, a dinâmica do sistema pode ser descrita por funções potenciais específicas que dependem das variáveis do sistema. Em particular, o sistema descrito pela equação (1.188), com a função potencial associada de QiUi(Qi)dx\int Q_i U_i(Q_i) \, dx, apresenta um cenário no qual os subsistemas interagem por meio de frequências instantâneas νi\nu_i e funções não lineares gig_i. Para os sistemas compostos por múltiplos subsistemas, a interação entre as frequências naturais ωi(Ai)\omega_i(A_i) e as excitações harmônicas ϑr\vartheta_r forma a base para a modelagem de ressonâncias internas e externas.

A transformação de variáveis, como Qi(t)=Aicos(ϕi(t))+BiQ_i(t) = A_i \cos(\phi_i(t)) + B_i, Pi(t)=Aiνi(Ai,ϕi)sin(ϕi(t))P_i(t) = -A_i \nu_i(A_i, \phi_i) \sin(\phi_i(t)), e ϕi(t)=ϕi(t)+ϵi(t)\phi_i(t) = \phi_i(t) + \epsilon_i(t), permite a passagem do espaço de fases (Q,P)(Q, P) para um espaço de coordenadas angulares, onde as frequências instantâneas podem ser aproximadas para facilitar a análise. Nesse contexto, a utilização da média estocástica é crucial, permitindo que se considere a média das equações do movimento das variáveis AA e ϕ\phi, com coeficientes que dependem das excitações e do ruído.

As equações diferenciais estocásticas resultantes, como dAdt=i=1mϵF1(A,ϕ)+ϵ1/2G1(A,ϕ)ξk(t)\frac{dA}{dt} = \sum_{i=1}^m \epsilon F_1(A, \phi) + \epsilon^{1/2} G_1(A, \phi) \xi_k(t), descrevem a evolução das variáveis AA e ϕ\phi sob a ação de ruído, representado por ξk(t)\xi_k(t). O efeito do ruído de banda larga, como mostrado nas equações (1.195) e (1.196), introduz um elemento de complexidade que reflete as interações entre os diferentes subsistemas e as excitações externas. A presença de ressonâncias internas e externas pode levar a comportamentos emergentes, onde as frequências naturais dos subsistemas se alinham com as frequências das excitações harmônicas, resultando em uma modulação complexa dos estados do sistema.

Além disso, o modelo de Duffing acoplado, como exemplificado pela equação (1.201), ilustra como duas osciladores não-lineares sujeitos a ruído harmônico e ruído de banda larga podem ser descritos utilizando transformações adequadas nas variáveis Xi(t)X_i(t), X˙i(t)\dot{X}_i(t) e seus respectivos coeficientes βij\beta_{ij}, ω0i\omega_{0i}, αi\alpha_i, e EiE_i. A introdução da transformação Xi(t)=Aicos(ϕi(t))X_i(t) = A_i \cos(\phi_i(t)) facilita a análise de sistemas sujeitos a excitações estocásticas, ao mesmo tempo em que a presença de frequências médias ωi(Ai)\omega_i(A_i) introduz uma forma de análise aproximada, essencial para a compreensão do comportamento dinâmico do sistema.

Por fim, a metodologia de médias estocásticas aplicada a sistemas quase-integráveis sob excitações de ruído largo permite a derivação de equações aproximadas que governam o comportamento macroscópico do sistema. Essas equações, como demonstrado nas equações (1.198) e (1.199), são úteis para descrever as distribuições de probabilidade estacionárias e suas evoluções ao longo do tempo, contribuindo para a compreensão de sistemas altamente complexos sob influência de múltiplas fontes de excitação.

É importante ressaltar que, além dos aspectos matemáticos e físicos abordados, a modelagem de sistemas dinâmicos sujeitos a excitações estocásticas também requer uma atenção especial aos efeitos do ruído em escalas microscópicas e suas implicações no comportamento global do sistema. A presença de múltiplas fontes de excitação pode alterar drasticamente o comportamento do sistema, levando à necessidade de um tratamento detalhado das condições de ressonância e das interações não-lineares.

Como Métodos de Equalização Influenciam Sistemas Hamiltonianos Quasi-Integráveis com Forças Histeréticas

Os métodos de equalização apresentados neste capítulo tratam da modificação de forças restauradoras histeréticas em sistemas dinâmicos, com o objetivo de transformar um sistema com forças histeréticas complexas em um sistema mais simples, descrito por equações diferenciais mais manejáveis. A equalização dessas forças restauradoras permite uma análise mais acessível do comportamento de sistemas com múltiplos graus de liberdade (DOF), especialmente no contexto de sistemas Hamiltonianos.

O primeiro método de equalização assume que as funções gi(Qi)g_i'(Q_i), onde i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, n, satisfazem as condições definidas pela equação (1.5). Para simplificação, assume-se que gi(0)=0g_i'(0) = 0. O sistema resultante possui soluções periódicas e aleatórias da forma:

Qi(t)=Aicos(φi(t)),Pi(t)=Aiνi(Ai,φi)sin(φi(t)),Q_i(t) = A_i \cos(\varphi_i(t)), \quad P_i(t) = -A_i \nu_i(A_i, \varphi_i) \sin(\varphi_i(t)),

onde νi(Ai,φi)\nu_i(A_i, \varphi_i) é dado por:

νi(Ai,φi)=dφidt=2[Ui(Ai)Ui(Aicos(φi))],\nu_i(A_i, \varphi_i) = \frac{d\varphi_i}{dt} = 2 \left[ U_i(A_i) - U_i(A_i \cos(\varphi_i)) \right],

e Ui(Ai)U_i(A_i) é a energia potencial total para o ii-ésimo grau de liberdade. Este tipo de solução é usado para descrever o comportamento dinâmico dos sistemas quando se leva em conta as interações não lineares causadas pelas forças histeréticas.

A equação (2.4) descreve a força restauradora histerética fi(Qi,Pi)f_i(Q_i, P_i) como uma combinação de forças de recuperação Ki(Ai)QiK_i(A_i)Q_i e forças de amortecimento Ci(Ai)PiC_i(A_i)P_i. Ao multiplicar ambos os lados da equação por cos(φi(t))\cos(\varphi_i(t)) e sin(φi(t))\sin(\varphi_i(t)), e integrando em relação a φi\varphi_i, obtemos as integrais que relacionam as forças de recuperação e amortecimento aos parâmetros do sistema. Para forças histeréticas bilineares, a substituição das expressões apropriadas resulta nas equações (2.5), que permitem determinar Ki(Ai)K_i(A_i) e Ci(Ai)C_i(A_i) explicitamente.

A partir da identificação dessas forças de recuperação e amortecimento, o sistema pode ser reescrito como um sistema Hamiltoniano equivalente. Este sistema, sem a influência direta das forças histeréticas, assume a forma de um sistema quase-integrável, cujas equações de movimento para cada grau de liberdade ii são descritas pelas equações:

Qi˙=Pi,\dot{Q_i} = P_i,

e

Pi˙=[gi(Qi)+ϵKi(Ai)Qi]ϵj=1ncij(Q,P)Pj+Ci(Ai)Pi,\dot{P_i} = -[g'_i(Q_i) + \epsilon K_i(A_i)Q_i] - \epsilon \sum_{j=1}^{n} c'_{ij}(Q, P) P_j + C_i(A_i) P_i,

onde cij(Q,P)c'_{ij}(Q, P) representa as interações entre diferentes graus de liberdade, e ϵ\epsilon é um parâmetro pequeno que descreve a influência das interações entre os graus de liberdade. Esse modelo é útil, pois simplifica a análise do sistema dinâmico e permite a utilização de métodos de médias estocásticas para estudar o comportamento do sistema sob excitadores aleatórios.

Nos métodos de equalização subsequentes, a formulação da energia potencial e da energia dissipada é crucial para entender o comportamento das forças histeréticas. A energia dissipada por ciclo de vibração é dada pela área envolvida pelo laço histerético, conforme mostrado pela equação (2.11), que integra as forças fi1(qi)f_i1(q_i) e fi2(qi)f_i2(q_i) ao longo dos trajetos de ascensão e descida do laço histerético. Em muitos modelos histeréticos, assume-se que o laço histerético é anti-simétrico, ou seja, fi2(qi)=fi1(qi)f_i2(q_i) = -f_i1(-q_i), o que facilita o cálculo da força restauradora equivalente. A dissipação de energia pode ser calculada a partir da integral dessa área, o que leva à fórmula para o coeficiente de amortecimento viscoso equivalente, dado por:

2ζi(Hi)=Ari2Hi,2\zeta_i(H_i) = \frac{A_{ri}}{2H_i},

onde AriA_{ri} representa a área dissipada por ciclo e HiH_i é a energia total associada ao ii-ésimo grau de liberdade.

Para o modelo de força histerética de Bouc-Wen, as energias potencial e dissipativa podem ser expressas de forma explícita usando as equações (2.10), (2.11) e (3.119) do volume 1, levando a fórmulas detalhadas para os parâmetros do sistema. O mesmo tipo de análise pode ser aplicado a outros modelos de forças histeréticas, como o modelo de Duhem e o modelo de Preisach, com a modificação das equações conforme necessário.

Uma vez que as funções Ki(Ai)K_i(A_i) e Ci(Ai)C_i(A_i) são determinadas, a equação do sistema equivalente quasi-integrável Hamiltoniano sem forças histeréticas pode ser reescrita, como mostrado na equação (2.17). Este sistema permite a análise do comportamento dinâmico do sistema em presença de forças histeréticas, mas sem a complexidade direta das interações não lineares.

Além disso, a aplicação do método de médias estocásticas para sistemas Hamiltonianos quasi-integráveis pode ser estendida para tratar ruídos brancos gaussianos, ruídos de Poisson, e outros tipos de ruídos coloridos. A introdução de correções de Wong-Zakai devido aos excitadores de ruído gaussiano e/ou de Poisson é necessária para uma modelagem mais precisa. A seguir, exemplos específicos de sistemas excitados por ruído branco gaussiano, como no exemplo do sistema SDOF (grau de liberdade único), ilustram a implementação desses métodos.

A análise de sistemas histeréticos e suas interações com excitação estocástica é, portanto, essencial para a compreensão de como sistemas reais, como estruturas mecânicas e materiais viscoelásticos, respondem a forças externas. É fundamental compreender que, embora as técnicas de equalização e as simplificações resultantes proporcionem uma maneira mais acessível de estudar tais sistemas, o comportamento real de sistemas complexos ainda depende de uma análise detalhada das propriedades não lineares e das condições iniciais.

Como os Sistemas Hamiltonianos Generalizados Quase-Integráveis Influenciam a Dinâmica Estocástica

Os sistemas Hamiltonianos generalizados quase-integráveis representam uma classe interessante de sistemas dinâmicos, onde a interação entre variáveis continua a ser complexa e não completamente integrável, mas ainda possui uma estrutura subjacente que permite simplificações sob certas condições. A análise de tais sistemas é fundamental para entender comportamentos estocásticos em várias disciplinas, incluindo física, engenharia e economia. O uso de métodos de médias estocásticas para abordar esses sistemas tem se mostrado particularmente útil, especialmente quando se lida com grandes dimensões e variáveis dependentes do tempo.

Esses sistemas podem ser descritos por um conjunto de equações diferenciais estocásticas, como as que envolvem as funções de confiabilidade condicionais e os tempos médios de passagem, que são obtidos através da resolução numérica das equações de Itô. A equação do tempo médio de passagem, por exemplo, é uma ferramenta poderosa para caracterizar o comportamento de um sistema dinâmico até que ele atinja uma condição de falha ou um estado de equilíbrio. A solução numérica dessas equações, combinada com simulações de Monte Carlo, oferece uma visão detalhada da confiabilidade de um sistema sob diferentes intensidades de excitação. Os resultados mostram que a intensidade maior de excitação tende a reduzir a confiabilidade do sistema, um comportamento esperado em sistemas dinâmicos não-lineares sujeitos a ruído estocástico.

A equação de Pontryagin, usada para derivar o tempo médio de passagem do sistema, é um exemplo clássico de como a média de Itô pode ser aplicada a sistemas com mais de uma variável aleatória. Nesse contexto, as funções de drift e difusão tornam-se centrais, uma vez que determinam como as variáveis de estado do sistema evoluem ao longo do tempo. A implementação de condições de contorno adequadas para essas equações é essencial para garantir que os resultados numéricos sejam precisos e realistas. A análise dessas condições permite uma compreensão mais profunda das transições entre os estados do sistema e da probabilidade de atingir um determinado estado de falha.

Os sistemas quasi-partialmente integráveis, por sua vez, são mais complexos, pois envolvem uma combinação de subsistemas Hamiltonianos totalmente integráveis e subsistemas não-integráveis. A interação entre essas duas partes do sistema é essencial para compreender seu comportamento global. O processo estocástico descrito pelas equações diferenciais de Itô é uma ferramenta poderosa para modelar essas interações, pois permite que se considere o impacto de pequenas flutuações nas variáveis do sistema. Essa abordagem permite uma modelagem mais realista de sistemas que, embora não sejam totalmente integráveis, ainda possuem comportamentos que podem ser descritos por aproximações estocásticas.

Um aspecto importante a ser observado é que, em sistemas com subsistemas Hamiltonianos não-integráveis, a evolução das variáveis do sistema depende da interação entre as diferentes dimensões do sistema. A separação entre variáveis de ação e ângulo, por exemplo, é crucial para entender como a dinâmica estocástica pode ser reduzida a um processo de difusão de Markov em certas condições. A redução do sistema, como mostrado pelas equações médias estocásticas, permite uma análise mais simples, mas ainda precisa, do comportamento do sistema em longo prazo.

Nos casos não-resonantes, por exemplo, os processos associados a variáveis como I1I_1, H2H_2, e CC podem ser descritos como processos de difusão lentos, enquanto as variáveis rápidas, como θ1\theta_1 e XX', evoluem de forma mais dinâmica. Em tais sistemas, a média das equações diferenciais permite que a evolução das variáveis lentas seja analisada sem considerar as flutuações rápidas em detalhes, facilitando a compreensão da dinâmica geral do sistema. O teorema de Khasminskii oferece uma base matemática sólida para essa redução, garantindo que, à medida que o parâmetro ϵ\epsilon tende a zero, o comportamento do sistema pode ser aproximado por um processo de difusão de Markov.

Além disso, as equações de Fokker-Planck associadas às equações estocásticas de Itô são essenciais para descrever a distribuição de probabilidade das variáveis do sistema. A equação de Fokker-Planck média, derivada das equações diferenciais estocásticas, pode ser usada para modelar a evolução temporal das distribuições de probabilidade dos estados do sistema. A análise dessas distribuições fornece insights importantes sobre o comportamento de longo prazo do sistema, como a probabilidade de alcançar estados críticos ou falhas.

A interação entre os diferentes subsistemas e as variáveis estocásticas, com as médias e as condições de contorno apropriadas, fornece uma base para entender as transições entre diferentes estados do sistema e o tempo médio de passagem entre esses estados. A compreensão desses conceitos é fundamental para qualquer análise de sistemas dinâmicos estocásticos, permitindo não apenas prever o comportamento do sistema em resposta a perturbações, mas também otimizar os parâmetros para melhorar a confiabilidade e o desempenho do sistema.

Como o Modelo Hartlen-Currie é Afetado pela Excitação do Vento Flutuante: Um Estudo de Resposta Estrutural

No caso de excitação por brisa ou vento fraco, os dois osciladores do sistema (6.2) estão fracamente acoplados, ou seja, os parâmetros de acoplamento μ e b são ambos pequenos. Esse comportamento é explicado pela relação μ = ρ (2π 3a ρsS2 t ), a partir da qual podemos inferir que μ é uma quantidade pequena, considerando que as densidades ρa são muito menores que ρs. Os resultados experimentais demonstraram que os parâmetros St e CL0 permanecem relativamente constantes dentro de uma ampla faixa de números de Reynolds. Nos estudos teóricos, os parâmetros do modelo são selecionados de forma a alinhar-se aos parâmetros reais e aos dados experimentais previamente reportados (Deng et al., 2021). No caso do modelo (6.2), os valores dos parâmetros são: ζ = 0.0043, μ = 0.0086, ωn = 75.4 rad/s, b = 0.26, α = 0.045, γ = 2/3, D = 0.06 m.

No modelo clássico de Hartlen-Currie (6.2), assume-se que a velocidade do vento V seja constante, mas, na realidade, a velocidade do vento é um processo estocástico. Em engenharia do vento, a velocidade do vento real é a superposição da velocidade média do vento e da velocidade flutuante do vento. Ao substituir a velocidade do vento V no modelo Hartlen-Currie (6.2) pela expressão V = V + 2ηξ(t) (6.3), o sistema Hartlen-Currie (6.2) se transforma na seguinte equação:

4VρaX¨1+2ζωnX˙1+ωn2X1=μωs2X2+X2+2ηξ(t)4Vρa \ddot{X}_1 + 2ζω_n \dot{X}_1 + ω_n^2 X_1 = μω_s^2 X_2 + X_2 + 2ηξ(t)

X¨2+γ(X˙2αωs)X˙2+ωs2X2=bωnX˙1\ddot{X}_2 + γ \left( \dot{X}_2 - αω_s \right) \dot{X}_2 + ω_s^2 X_2 = bω_n \dot{X}_1

Comparado com a velocidade média do vento V, a velocidade flutuante do vento 2ηξ(t) é pequena. Para descrever essa velocidade flutuante, diversas funções de densidade espectral de potência foram propostas. Nesta seção, utilizaremos a função de densidade espectral de potência de Davenport SD(f) (Davenport, 1961), dada por:

SD(f)=4kV10f2(1+f)4SD(f) = \frac{4kV_{10} f^2}{(1 + f)^4}

Onde k representa a rugosidade do solo e V10 é a velocidade média do vento a uma altura de 10 metros do solo. A Figura 6.2 ilustra o espectro de Davenport SD(f) da velocidade flutuante do vento e a densidade espectral de potência equivalente S(ω) para a frequência angular. A partir da Figura 6.2, observa-se que o espectro do vento S(ω), próximo a ωn, muda lentamente com ω. Portanto, a excitação estocástica do vento flutuante pode ser considerada um processo estocástico de banda larga.

A Figura 6.3a mostra uma amostra da velocidade flutuante do vento gerada com base nas equações (6.3) e (6.5). As Figuras 6.1b e 6.3c ilustram a resposta do deslocamento estrutural com e sem excitação do vento flutuante, respectivamente. A Figura 6.3b indica que a resposta do deslocamento estrutural permanece constante na ausência de vento flutuante. Já a Figura 6.3c revela que, na presença de vento flutuante, a resposta do deslocamento estrutural aparece como um sinal modulado em amplitude, onde o deslocamento rapidamente variado é modulado por um sinal de amplitude que varia lentamente, indicando um típico processo estocástico de banda estreita.

No modelo Hartlen-Currie (6.4) com excitação do vento flutuante, pode-se aplicar o método de média estocástica de sistemas Hamiltonianos quasi-integráveis sob excitação de ruído de banda larga, conforme descrito na Seção 8.1. Se considerarmos o deslocamento generalizado Q1=X1Q_1 = X_1, Q2=X2Q_2 = X_2 e o momento generalizado P1=X˙1P_1 = \dot{X}_1, P2=X˙2P_2 = \dot{X}_2, a equação (6.4) pode ser transformada no seguinte sistema Hamiltoniano excitado e dissipado estocasticamente:

Q˙1=HP1,P˙1=HQ1c1+fξ(t)\dot{Q}_1 = \frac{\partial H}{\partial P_1}, \quad \dot{P}_1 = - \frac{\partial H}{\partial Q_1} - c_1 + fξ(t)
Q˙2=HP2,P˙2=HQ2c2\dot{Q}_2 = \frac{\partial H}{\partial P_2}, \quad \dot{P}_2 = - \frac{\partial H}{\partial Q_2} - c_2

Onde H é a função Hamiltoniana, e os termos c1(Q,P)c_1(Q, P) e c2(Q,P)c_2(Q, P) representam forças de amortecimento fracas e forças de acoplamento fracas. A excitação estocástica é dada por fξ(t)fξ(t), com ff sendo a amplitude da velocidade flutuante do vento.

Devido aos pequenos valores de μ e b, o sistema Hamiltoniano associado ao sistema (6.6) pode ser considerado integrável, e a função Hamiltoniana se torna separável. A função Hamiltoniana é expressa como:

H=H1+H2H = H_1 + H_2

Onde H1H_1 é a energia do oscilador estrutural e H2H_2 é o primeiro integral do oscilador de excitação. Sob condições de acoplamento fraco, amortecimento fraco e excitação fraca, a transformação a seguir pode ser aplicada:

Q1(t)=2Hcos(θ1(t)),P1(t)=2H1(t)sin(θ1(t))Q_1(t) = \sqrt{2H} \cos(\theta_1(t)), \quad P_1(t) = -\sqrt{2H_1(t)} \sin(\theta_1(t))

Onde θ1(t)\theta_1(t) e θ2(t)\theta_2(t) são processos aleatórios governados por equações diferenciais estocásticas.

A equação resultante pode ser estudada no caso de ressonância (ωsωnω_s \approx ω_n) ou no caso de não-ressonância, que será abordado na próxima seção. Em sistemas de ressonância, quando a frequência do vento excitante ωsω_s está próxima à frequência natural ωnω_n do oscilador estrutural, ocorre uma ressonância interna entre os dois osciladores, onde tanto o processo Hamiltoniano H1(t)H_1(t) quanto H2(t)H_2(t) são processos de variação lenta.

Em sistemas de ressonância, o comportamento estocástico e os parâmetros de acoplamento devem ser analisados cuidadosamente para prever a resposta do sistema. As equações diferenciais estocásticas médias podem ser resolvidas usando métodos de diferenciação estocástica e análise de processos de Wiener.

Além disso, é importante compreender que, quando as frequências de ressonância e excitação se aproximam, a interação entre os osciladores torna-se mais significativa, o que pode amplificar a resposta do sistema. Este fenômeno deve ser considerado em projetos de estruturas sujeitas a forças estocásticas, como o vento flutuante, para garantir a estabilidade e segurança a longo prazo das construções.