Lissajouskurva

Lissajouskurva på ett oscilloskop, visar 3:1 sambandet mellan frekvensen av en vertikal och horisontell sinuskurva.
Tredimensionell lissajouskurva

En lissajouskurva (eller bowditchkurva) är avbildningen av det parametriska ekvationssystemet

Denna kurvfamilj studerades av Nathaniel Bowditch i 1815, och senare i detalj av Jules Antoine Lissajous.

Figurens utseende är starkt beroenden av kvoten a/b. När kvoten är 1 blir figuren en ellips, med specialfall för cirklar (A = B, δ = π/2 radianer) och linjer (δ = 0). En annan enkel lissajouskurva är parabeln (a/b = 2, δ = π/2). Andra kvoter resulterar i mer komplicerade kurvor, som enbart är slutna om a/b är ett rationellt tal.

Bakgrund

Nathaniel Bowditch undersökte 1815 lissajouskurvor genom att experimentera med pendlar som svängde samtidigt i en vågrörelse vinkelrätt mot varandra. 1857 gjorde den franska matematikern Jules Antoine Lissajous självständigt en mer ingående undersökning av dessa kurvor. Ett av experimenten gick ut på att skapa vibrationen i en spegel med hjälp av ljudvågor med olika frekvenser, och sedan belysa spegeln med ljus som i sin tur reflekterar olika mönster.

Exempel

Nedan finns exempel av Lissajouskurvor med δ = π/2, ett udda naturligt tal a, ett jämnt naturligt tal b och |a  –  b| = 1.

Skapa en lissajouskurva

Idag skapas de flesta lissajouskurvor med hjälp en av dator mekaniskt, med en så kallad harmonograf, vilket är ett hjälpmedel för att skapa en geometrisk bild med hjälp av pendlar. Det går även att skapa lissajouskurvor med hjälp av ett oscilloskop, se bild högst upp på sidan. Låt x vara representerad av kanal 1 och y kanal 2, där A är amplituden för kanal 1 och B kanal 2. Frekvensen till kanal 1 motsvaras av a och till kanal 2 av b vilket leder till att a/b är förhållandet mellan de två frekvenserna. δ representerar fasförskjutningen i kanal 1.

Tillämpningar

Lissajouskurvor har användningsområden i fysik, astronomi och i andra forskningssammanhang. Där man med hjälp av att syna kurvans utseende kan räkna till exempel frekvensen av det ena in-värdet då alla andra variabler är kända.
För att illustrera så man sätter a = b, A = B och δ och får en elliptisk kurva, vilket symboliserar en rät linje då δ = πn , där n är ett heltal. Då kan man avgöra fasförskjutningen med hjälp av skuggbilden av den elliptiska kurvan på ett oscilloskop enligt denna lista (LTI):

  • δ = 0◦ om kurvan är en linje med positiv riktningskoefficient
  • 0◦ > δ > −90◦ om kurvan rör sig motsols med positiv riktningskoefficient
  • δ = −90◦ om kurvan rör sig motsols i en cirkel
  • −90◦ > δ > −180◦ om kurvan rör sig motsols med negativ riktningskoefficient
  • δ = −180◦ om kurvan är en linje med negativ riktningskoefficient
  • −180◦ > δ > −270◦ om kurvan rör sig medsols med negativ riktningskoefficient
  • δ = −270◦ om kurvan rör sig medsols i en cirkel
  • −270◦ > δ > −360◦ om kurvan rör sig medsols med positiv riktningskoefficient
En ren fasförskjutning påverkar excentriciteten från en lissajouscirkel. Utifrån LTI systemet kan man bestämma fasförskjutningen utifrån analys av kurvans utformning.

Externa länkar

Media som används på denna webbplats

Question book-4.svg
Författare/Upphovsman: Tkgd2007, Licens: CC BY-SA 3.0
A new incarnation of Image:Question_book-3.svg, which was uploaded by user AzaToth. This file is available on the English version of Wikipedia under the filename en:Image:Question book-new.svg
Lissajous curve 3by4.svg
Författare/Upphovsman: Alessio Damato, Licens: CC BY-SA 3.0

A Lissajous curve, that can be expressed in parametric form as:

with , and . I created it with the following GNUplot code:

set samples 5000
set terminal svg
set output "Lissajous_curve_3by4.svg"

# plotting within a square
set size square

# remove most of information from the picture
set noxtic
set noytic
set key off

# plot
set parametric
a=3
b=4
delta=pi/2
plot [0:2*pi] sin(a*t + delta),sin(b*t) with lines linewidth 2
and then I post-processed with Inkscape
Lissajous curve 3by2.svg
Författare/Upphovsman: Alessio Damato, Licens: CC BY-SA 3.0

A Lissajous curve, that can be expressed in parametric form as:

with , and .
Lissajous-Figur 1 zu 3 (Oszilloskop).jpg
Författare/Upphovsman: unknown, Licens: CC BY-SA 3.0
Lissajous curve 1by2.svg
Författare/Upphovsman: Alessio Damato, Licens: CC BY-SA 3.0

A Lissajous curve, that can be expressed in parametric form as:

with , and . I created it with the following GNUplot code:

set samples 5000
set terminal svg
set output "Lissajous_curve_1by2.svg"
# plotting within a square
set size square

# remove most of information from the picture
set noxtic
set noytic
set key off
unset border

# plot
set parametric
a=1
b=2
delta=pi/2
plot [0:2*pi] sin(a*t + delta),sin(b*t) with lines linewidth 2
and then I post-processed with Inkscape
Lissajous curve 5by4.svg
Författare/Upphovsman: Alessio Damato, Licens: CC BY-SA 3.0

A Lissajous curve, that can be expressed in parametric form as:

with , and . I created it with the following GNUplot code:

set samples 5000
set terminal svg
set output "Lissajous_curve_5by4.svg"

# plotting within a square
set size square

# remove most of information from the picture
set noxtic
set noytic
set key off

# plot
set parametric
a=5
b=4
delta=pi/2
plot [0:2*pi] sin(a*t + delta),sin(b*t) with lines linewidth 2
and then I post-processed with Inkscape
Lissajous phase.png
Författare/Upphovsman: TedPavlic, Licens: CC BY-SA 3.0
Figure showing several Lissajous figures for different phase delays.
Lissajous curve 7by6.svg
A Lissajous curve that can be expressed in parametric form as:

with , and . I created it with the following GNUplot code:

set samples 5000
set terminal svg
set output "Lissajous_curve_1by2.svg"

# plotting within a square
set size square

# remove most of information from the picture
unset xtic
unset ytic
set key off

# plot
set parametric
a=7
b=6
delta=pi/2
plot [0:pi/2] sin(a*t + delta),sin(b*t) with lines linewidth 2
and then I post-processed with Inkscape: I converted the graph to beziers (aka Simplify), cloned and rotated the curve (π/2) to get the entire graph (2π), and resized the final image to 600x600 with a 18.854px margin, like the others. I also manually edited and removed any unnecessary elements. All of this resulted in a smoother graph with a small file size.
Lissajous curve 5by6.svg
Författare/Upphovsman: Alessio Damato, Licens: CC BY-SA 3.0

A Lissajous curve, that can be expressed in parametric form as:

with , and . I created it with the following GNUplot code:

set samples 5000
set terminal svg
set output "Lissajous_curve_5by6.svg"

# plotting within a square
set size square

# remove most of information from the picture
set noxtic
set noytic
set key off

# plot
set parametric
a=5
b=6
delta=pi/2
plot [0:2*pi] sin(a*t + delta),sin(b*t) with lines linewidth 2
and then I post-processed with Inkscape