Linear non-equilibrium thermodynamics of human voluntary behavior: a canonical-dissipative Fokker-Planck equation approach involving potentials beyond the harmonic oscillator case

Abstract

A novel experimental paradigm and a novel modelling approach are presented to investigate oscillatory human motor performance by means of a key concept from condensed matter physics, namely, thermodynamic state variables. To this end, in the novel experimental paradigm participants performed pendulum swinging movements at self-selected oscillation frequencies in contrast to earlier studies in which pacing signals were used. Moreover, in the novel modelling approach, a canonical-dissipative limit cycle oscillator model was used with a conservative part that accounts for nonharmonic oscillator components in contrast to earlier studies in which only harmonic components were considered. Consistent with the Landau theory of magnetic phase transitions, we found that the oscillator model free energy decayed when participants performed oscillations further and further away from the Hopf bifurcation point of the canonical-dissipative limit cycle oscillator

Представлено нову експериментальну парадигму та новий пiдхiд до моделювання роботи осциляторного людського двигуна з допомогою ключового концепту фiзики конденсованої речовини, а саме — змiнних термодинамiчного стану. Для цього в новiй експериментальнiй парадигмi учасники здiйснювали маятниковi коливнi рухи з особисто вибраними частотами, що вiдмiнне вiд попереднiх дослiджень, де використовувалися синхронiзуючi сигнали. У новому пiдходi моделювання використано канонiчно-дисипативну границю циклiчно осциляцiйної моделi з консервативною частиною, що враховує негармонiчнi коливнi компоненти — у цьому iнша вiдмiннiсть вiд попереднiх дослiджень, у яких розглядалися лише гармонiчнi компоненти. В узгодженнi з теорiєю Ландау магнiтних фазових переходiв ми знайшли, що вiльна енергiя осциляцiйної моделi зменшується, коли учасники пiдтримують коливання з вiддаленням вiд точки бiфуркацiї Хопфа для канонiчно-дисипативної границi циклiчного осцилятора.