De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Ecuația șirului vibrant este cazul unidimensional al ecuației undei și este utilizată pentru a descrie fenomenul șirului vibrant. Ecuația pentru vibrațiile libere ale șirului (ecuație omogenă) este:
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial t ^ {2}}} - a ^ {2} {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial x ^ {2 }}} = 0}
în timp ce ecuația pentru corzi vibrante forțate (sau transversale) este:
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial t ^ {2}}} - a ^ {2} {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial x ^ {2 }}} = f}
În general, soluția depinde de două condiții inițiale:
- {\ displaystyle u (x, t = 0) = w_ {1}}
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} (x, t = 0) = w_ {2}}
că, în cazul unei coarde infinite, condițiile trebuie definite în orice {\ displaystyle (- \ infty, + \ infty)} . În cazul în care frânghia este finită și lungă {\ displaystyle l} în schimb, condițiile suplimentare trebuie impuse variabilei {\ displaystyle x} :
- {\ displaystyle u (x = 0, t) = 0}
- {\ displaystyle u (x = l, t) = 0}
Soluția lui D'Alembert
Soluția lui D'Alembert constă în înlocuirea:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} X = x-at \\ Y = x + at \ end {cases}}}
Ecuația omogenă se transformă în consecință; derivând pentru prima dată:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} {\ frac {\ partial u} {\ partial x}} = {\ frac {\ partial u} {\ partial X}} + {\ frac {\ partial u} {\ partial Y}} \\ {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} = a \ cdot \ left ({\ frac {\ partial u} {\ partial Y}} - {\ frac {\ partial u} { \ partial X}} \ right) \ end {cases}}}
și derivând a doua oară:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial x ^ {2}}} = {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial X ^ { 2}}} + 2 \ cdot {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial X \ partial Y}} + {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial Y ^ {2} }} \\ {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial t ^ {2}}} = a ^ {2} \ cdot \ left ({\ frac {\ partial ^ {2} u} { \ partial X ^ {2}}} - 2 \ cdot {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial X \ partial Y}} + {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial Y ^ {2}}} \ right) \ end {cases}}}
Asa de:
- {\ displaystyle {\ frac {\ partial ^ {2} u} {\ partial X \ partial Y}} = 0}
a cărei soluție generală este dată de:
- {\ displaystyle u (X, Y) = g_ {1} (X) + g_ {2} (Y) = u (x, t) = g_ {1} (x-at) + g_ {2} (x + la)}
Sunt determinate cele două funcții generice {\ displaystyle g_ {1}} Și {\ displaystyle g_ {2}} prin impunerea condițiilor inițiale:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} u = g_ {1} (x) + g_ {2} (x) = w_ {1} \\ {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} = a \ cdot \ left (-g_ {1} ^ {'} (x-at) + g_ {2} ^ {'} (x + at) \ right) = w_ {2} \ end {cases}}}
din care avem:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} g_ {1} (x) + g_ {2} (x) = w_ {1} \\ - g_ {1} ^ {'} (x) + g_ {2} ^ { '} (x) = {\ frac {w_ {2}} {a}} \ end {cases}}}
Al doilea sistem poate fi integrat (prin schimbarea semnului):
- {\ displaystyle g_ {1} (x) -g_ {2} (x) = - {\ frac {1} {a}} \ int _ {0} ^ {x} w_ {2} (z) dz + C }
în care se impune {\ displaystyle C = 0} . Din sistem:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} g_ {1} (x) + g_ {2} (x) = w_ {1} \\ g_ {1} (x) -g_ {2} (x) = - {\ frac {1} {a}} \ int _ {0} ^ {x} w_ {2} (z) dz \ end {cases}}}
care devine:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} g_ {1} (x) = {\ frac {1} {2}} w_ {1} - {\ frac {1} {2a}} \ cdot \ int _ {0} ^ {x} w_ {2} (z) dz \\ g_ {2} (x) = {\ frac {1} {2}} w_ {1} + {\ frac {1} {2a}} \ cdot \ int _ {0} ^ {x} w_ {2} (z) dz \ end {cases}}}
avem soluția ecuației vibrației libere:
- {\ displaystyle u (x, t) = {\ frac {w_ {1} (x-at) + w_ {1} (x + at)} {2}} + {\ frac {1} {2a}} \ cdot \ int _ {x-at} ^ {x + at} w_ {2} (z) dz}
Cazuri speciale
- Dacă condițiile inițiale sunt:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} u (x, t = 0) = w_ {1} \\ {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} (x, t = 0) = w_ {2} = 0 \ end {cases}}}
- soluția devine:
- {\ displaystyle u (x, t) = {\ frac {w_ {1} (x-at) + w_ {1} (x + at)} {2}}}
- Dacă condițiile inițiale sunt:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} u (x, t = 0) = w_ {1} = 0 \\ {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} (x, t = 0) = w_ { 2} \ end {cases}}}
- soluția noastră devine:
- {\ displaystyle u (x, t) = {\ frac {1} {2a}} \ cdot \ int _ {x-at} ^ {x + at} w_ {2} (z) dz}
Metoda Fourier
În cazul unei frânghii de lungime finită {\ displaystyle l} , cu condițiile suplimentare la limite, este intuitiv să se utilizeze metoda de separare a variabilelor sau „metoda Fourier”. Constă în căutarea unei soluții particulare a ecuației omogene a tipului:
- {\ displaystyle u = T (t) \ cdot X (x)}
adică cu produsul a doi termeni, dintre care unul depinde doar de variabilă {\ displaystyle x} iar cealaltă numai din variabilă {\ displaystyle t} . Înlocuind în ecuația omogenă și derivând de două ori obținem:
- {\ displaystyle X (x) \ cdot T '' (t) = a ^ {2} \ cdot T (t) \ cdot X '' (x)}
de la care:
- {\ displaystyle {\ frac {T '' (t)} {a ^ {2} \ cdot T (t)}} = {\ frac {X '' (x)} {X (x)}}}
Pentru ca inegalitatea să existe, ambii membri trebuie să fie egali cu aceeași constantă:
- {\ displaystyle {\ frac {T '' (t)} {a ^ {2} \ cdot T (t)}} = {\ frac {X '' (x)} {X (x)}} = - K ^ {2}}
din care obținem două ecuații într-o singură variabilă:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} X '' (x) + K ^ {2} \ cdot X (x) = 0 \ qquad K \ neq 0 \\ T '' (t) + a ^ {2} \ cdot K ^ {2} \ cdot T (t) = 0 \ qquad K \ neq 0 \ end {cases}}}
Soluțiile acestor ecuații sunt de tipul:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} X (x) = A \ cos (Kx) + B \ sin (Kx) \\ T (t) = C \ cos (aKt) + D \ sin (aKt) \ end { cazuri}}}
Prin urmare, soluția generală a ecuației omogene ar deveni:
- {\ displaystyle u = \ left [A \ cos (Kx) + B \ sin (Kx) \ right] \ cdot \ left [C \ cos (aKt) + D \ sin (aKt) \ right]} .
Coeficienții {\ displaystyle A} Și {\ displaystyle B} sunt calculate prin impunerea condițiilor la limite:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} X (x = 0) = A \ cdot 1 + B \ cdot 0 = 0 \\ X (x = l) = A \ cos (Kl) + B \ sin (Kl) = 0 \ end {cases}}}
de la care:
- {\ displaystyle {\ begin {cases} A = 0 \\ B \ sin (Kl) = 0 \ qquad B \ neq 0 \ end {cases}}}
prin urmare:
- {\ displaystyle K = \ pm {\ frac {n \ pi} {l}}}
Soluția negativă este identică cu cea pozitivă, deci este luată în considerare doar cea pozitivă. Cunoașterea soluției este:
- {\ displaystyle u = \ left [C \ cos (aKt) + D \ sin (aKt) \ right] \ cdot \ sin (Kx)} .
întrucât este o soluție, toate sumele sunt, de asemenea, soluții; de aceea puteți alege {\ displaystyle K = n \ pi / l} si adauga:
- {\ displaystyle u = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ left [C_ {n} \ cos \ left ({\ frac {n \ pi at} {l}} \ right) + D_ {n } \ sin \ left ({\ frac {n \ pi at} {l}} \ right) \ right] \ cdot \ sin \ left ({\ frac {n \ pi x} {l}} \ right)}
Acum puteți găsi coeficienții {\ displaystyle C_ {n}} Și {\ displaystyle D_ {n}} pentru a satisface condițiile inițiale. Derivarea acestuia din urmă cu privire la {\ displaystyle t} și impunător {\ displaystyle t = 0} primesti:
- {\ displaystyle w_ {1} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} C_ {n} \ sin {\ frac {n \ pi x} {l}} \ qquad w_ {2} = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {n \ pi a} {l}} \ cdot D_ {n} \ sin {\ frac {n \ pi x} {l}}}
care sunt expansiunile seriei Fourier ale {\ displaystyle w_ {1}, w_ {2}} în serie de sâni în {\ displaystyle [0, l]} . Categoric:
- {\ displaystyle C_ {n} = {\ frac {2} {l}} \ int _ {0} ^ {l} w_ {1} \ sin {\ frac {n \ pi z} {l}} dz \ qquad D_ {n} = {\ frac {2} {n \ pi a}} \ int _ {0} ^ {l} w_ {2} \ sin {\ frac {n \ pi z} {l}} dz}
care a înlocuit oferă soluția:
- {\ displaystyle u = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ left [\ left ({\ frac {2} {l}} \ int _ {0} ^ {l} w_ {1} \ sin {\ frac {n \ pi z} {l}} dz \ right) \ cos \ left ({\ frac {n \ pi at} {l}} \ right) + \ left ({\ frac {2} {n \ pi a}} \ int _ {0} ^ {l} w_ {2} \ sin {\ frac {n \ pi z} {l}} dz \ right) \ sin \ left ({\ frac {n \ pi at} {l}} \ right) \ right] \ cdot \ sin \ left ({\ frac {n \ pi x} {l}} \ right)}
Bibliografie
- ( EN ) Molteno, TCA; NB Tufillaro (septembrie 2004). „O investigație experimentală asupra dinamicii unui șir”. American Journal of Physics 72 (9): 1157–1169.
- ( EN ) Tufillaro, NB (1989). „Vibrații neliniare și haotice ale șirurilor”. American Journal of Physics 57 (5): 408.
Elemente conexe
linkuri externe