La energía potencial es $U\left(x\right) = kx^4/4$ desde $-d/dx\left(kx^4/4\right) = -kx^3 = F$ y la energía $$ E = \frac{1}{2}m\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \frac{1}{4}kx^4 $$ se conserva.
De lo anterior se deduce que $$ \begin{eqnarray} dt &=& \pm \ dx \sqrt{\frac{m}{2E}}\left(1-\frac{k}{4E}x^4\right)^{-1/2} \\ &=& \pm \ dx \sqrt{\frac{2m}{k}} \ A^{-2} \left[1-\left(\frac{x}{A}\right)^4\right]^{-1/2} \end{eqnarray} $$ donde la amplitud $A = \left(4E / k\right)^{1/4}$ se puede encontrar a partir de la configuración $dx/dt = 0$ en la expresión de la energía y resolviendo para $x$ .
El período es entonces $$ \begin{eqnarray} T &=& 4 \sqrt{\frac{2m}{k}} \ A^{-2} \int_0^A dx \left[1-\left(\frac{x}{A}\right)^4\right]^{-1/2} \\ &=& 4 \sqrt{\frac{2m}{k}} \ A^{-1} \int_0^1 du \left(1-u^4\right)^{-1/2} \\ &=& \left(4 \sqrt{\frac{2m}{k}} I\right) A^{-1} \\ &\propto& A^{-1} \end{eqnarray} $$ donde $u = x/A$ y $I = \int_0^1 du \left(1-u^4\right)^{-1/2} \approx 1.31$ (véase este ).
Puedes repetir lo anterior para una energía potencial más general $U\left(x\right) = \alpha \left|x\right|^n$ donde debería encontrar que
$$ dt = \pm \ dx \sqrt{\frac{m}{2\alpha}} \ A^{-n/2} \left[1-\left(\frac{\left|x\right|}{A}\right)^n\right]^{-1/2} $$
y
$$ \begin{eqnarray} T_n &=& \left(4 \sqrt{\frac{m}{2\alpha}} I_n\right) A^{1-n/2} \\ &\propto& A^{1-n/2} \end{eqnarray} $$
donde
$$ I_n = \int_0^1 du \left(1-u^n\right)^{-1/2} $$
puede evaluarse en términos de funciones gamma (véase este ).
Esto concuerda con lo anterior para $\alpha = k/4$ y $n=4$ y con la de Landau y Lifshitz Mecánica el problema 2a de la sección 12 (página 27), donde constatan que $T_n \propto E^{1/n-1/2} \propto A^{1-n/2}$ .
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"Esto es lo que pienso... así que no puedo concluir nada". ¡Sí que puedes! Primero piensa en el movimiento armónico simple, donde $F = -kx$ y el periodo es independiente de la amplitud. Ahora escribe la ecuación de tu muelle como $F =-k'x$ donde $k' = kx^2$ . En media rigidez del muelle no lineal en cada ciclo del movimiento aumenta con la amplitud, por lo que el periodo se reduce.