Ondas e vibração

Equação das ondas com fronteiras fixas, dois dados iniciais e modos que oscilam.

TLDR

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Modos e dois dados iniciais

Em 0<x<L0<x<L, corda ideal sem amortecimento, c>0c>0:

utt=c2uxx,u(0,t)=u(L,t)=0,u(x,0)=f(x),ut(x,0)=g(x).u_{tt}=c^2u_{xx},\qquad u(0,t)=u(L,t)=0,\qquad u(x,0)=f(x),\quad u_t(x,0)=g(x).

Com frequência ωn=nπc/L\omega_n=n\pi c/L:

u(x,t)=∑n≥1sin⁡nπxL(Ancos⁡(ωnt)+Bnsin⁡(ωnt)).u(x,t)=\sum_{n\ge1}\sin\frac{n\pi x}{L} \left(A_n\cos(\omega_nt)+B_n\sin(\omega_nt)\right). An=2L∫0Lf(x)sin⁡nπxL dx,Bn=2Lωn∫0Lg(x)sin⁡nπxL dx.A_n=\frac2L\int_0^Lf(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx,\qquad B_n=\frac{2}{L\omega_n}\int_0^Lg(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx.
  • O deslocamento escolhe AnA_n; a velocidade escolhe ωnBn\omega_nB_n. Divide o coeficiente de Fourier da velocidade por ωn\omega_n.
  • Os modos oscilam sem decair: a energia alterna entre cinética e potencial, ao contrário do calor.
  • Os modos dependem de LL: sin⁡(3πx)\sin(3\pi x) é modo puro em (0,1)(0,1), mas não em (0,π)(0,\pi).

Para f=0f=0, g=sin⁡xg=\sin x em (0,π)(0,\pi) com c=1c=1: u(x,t)=sin⁡xsin⁡tu(x,t)=\sin x\sin t. A corda parte do equilíbrio com velocidade sin⁡x\sin x.

t = 01−10πxt = π/21−10πxt = π1−10πxt = 3π/21−10πx
u(x, t) = sin(x) sin(t). A corda parte da posição de equilíbrio, sobe, volta à posição de equilíbrio e desce. Em t = 0 e t = π tem a mesma posição, mas velocidades opostas.

Para aceitar uma solução, verifica a EDP, as duas fronteiras e separadamente u(x,0)u(x,0) e ut(x,0)u_t(x,0).

Deslocamento e velocidade gerais

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