Ecuația șirului vibrant

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

1leftarrow blue.svg Vocea principală: șir vibrant .

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:

în timp ce ecuația pentru corzi vibrante forțate (sau transversale) este:

În general, soluția depinde de două condiții inițiale:

că, în cazul unei coarde infinite, condițiile trebuie definite în orice . În cazul în care frânghia este finită și lungă în schimb, condițiile suplimentare trebuie impuse variabilei :

Soluția lui D'Alembert

Soluția lui D'Alembert constă în înlocuirea:

Ecuația omogenă se transformă în consecință; derivând pentru prima dată:

și derivând a doua oară:

Asa de:

a cărei soluție generală este dată de:

Sunt determinate cele două funcții generice Și prin impunerea condițiilor inițiale:

din care avem:

Al doilea sistem poate fi integrat (prin schimbarea semnului):

în care se impune . Din sistem:

care devine:

avem soluția ecuației vibrației libere:

Cazuri speciale

  • Dacă condițiile inițiale sunt:
soluția devine:
  • Dacă condițiile inițiale sunt:
soluția noastră devine:

Metoda Fourier

În cazul unei frânghii de lungime finită , 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:

adică cu produsul a doi termeni, dintre care unul depinde doar de variabilă iar cealaltă numai din variabilă . Înlocuind în ecuația omogenă și derivând de două ori obținem:

de la care:

Pentru ca inegalitatea să existe, ambii membri trebuie să fie egali cu aceeași constantă:

din care obținem două ecuații într-o singură variabilă:

Soluțiile acestor ecuații sunt de tipul:

Prin urmare, soluția generală a ecuației omogene ar deveni:

.

Coeficienții Și sunt calculate prin impunerea condițiilor la limite:

de la care:

prin urmare:

Soluția negativă este identică cu cea pozitivă, deci este luată în considerare doar cea pozitivă. Cunoașterea soluției este:

.

întrucât este o soluție, toate sumele sunt, de asemenea, soluții; de aceea puteți alege si adauga:

Acum puteți găsi coeficienții Și pentru a satisface condițiile inițiale. Derivarea acestuia din urmă cu privire la și impunător primesti:

care sunt expansiunile seriei Fourier ale în serie de sâni în . Categoric:

care a înlocuit oferă soluția:

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