- •1.Классификация дифференциальных уравнений с частными производными
- •1.1 Основные дифференциальные уравнения математической физики
- •2.Классификация уравнений с частными производными второго порядка
- •2.1.Дифференциальное уравнение с двумя неизвестными переменными
- •2.2.Приведение уравнений к каноническому виду Приведение к каноническому виду уравнения гиперболического типа
- •Приведение к каноническому виду уравнения параболического типа
- •Приведение к каноническому виду уравнения эллиптического типа
- •2.3.Канонические формы линейных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Уравнение для продольных колебаний струны.
- •Энергия колебаний струны
- •Малые поперечные колебания мембраны
- •3.2.Уравнение для напряженности электрического и магнитного полей в вакууме
- •Уравнение для скалярного статического поля
- •Граничные и начальные условия
- •Поперечные колебания струны закрепленной на концах
- •4.Метод разделения переменных (метод Фурье)
- •4.1.Интерпретация решения
- •4.2.Неоднородные уравнения колебаний
- •4.3.Общая первая краевая задача
- •4.4.Общая схема метода разделения переменных
Уравнение для скалярного статического поля
Отличием от предыдущих уравнений является то, что нет зависимости от времени.
(*)
В этом случае они распределяются на систему независимых уравнений. Из последних двух уравнений следует что решение равно нулю, это значит что магнитных зарядов нет.
это решение подставляем в (*), получаем:
Данное уравнение представляет собой неоднородное уравнение Лапласа (или уравнение Пуассона). Также данное уравнение является уравнением эллиптического типа.
Граничные и начальные условия
При математическом описании физического процесса надо поставить задачу, т.е. сформулировать условия достаточные для однозначного определения процесса. Дифференциальные уравнения с частыми производными имеет множество решений. Поэтому когда физическая задача сводится к частным производным для однородного решения задачи необходимо присоединить некоторые дополнительные условия. В случае ОДУ второго порядка, решение может быть определено однозначно.
Поперечные колебания струны закрепленной на концах
Задача 1.
Условие жесткого закрепления струны в точках 0 и :
(1)
Процесс колебания струны зависит и от начального числа скоростей.
(2)
(3)
Если концы струны движутся по заданному закону, то граничные условия примет вид:
(4)
заданные функции времени.
Задача 2. Продольные колебания.
Возьмем пружину, у которой один конец закреплен на подвесе, второй не закреплен, тогда:
(5)
Если на свободном конце неподвижный груз, то уравнение будет иметь вид:
(6)
Это условие свободного конца
Задача 3.
(7)
Задача 4.
Граничные условия упругого закрепления в точке .
(8)
Где
где коэффициент жесткости закрепления.
Конец может перемещаться, но упругая сила закрепления вызывает на этом конце натяжение, стремящееся вернуть в исходное положении. Эта сила, согласно закону Гука, пропорциональна смещению.
Задача 5.
Если точка относительно которой имеет место упругое закрепление перемещается и ее отклонение от начального положения задается функцией :
(9)
(10)
Рассмотрим случай жесткого закрепления тогда .
Условие мягкого закрепления это значит что большие сдвиги вызывают малые натяжения. И тогда получаем условие , а это есть условие свободного конца.
Мы будем рассматривать три типа граничных условий:
граничное условие первого рода
- заданный режим
граничное условие второго рода
- заданная сила
граничное условие третьего рода
- условие упругого закрепления
Если равны нулю, то эти условия называются однородными. Комбинируя различные типы уравнений, получаем шесть типов краевых задач.
Сформулируем первую (простейшую) краевую задачу. Найти функцию определенную в области , удовлетворяет уравнению:
, .
Граничные условия: , .
Начальные условия: , , .
Влияние граничных условий в точке достаточно удаленной от границы складывается через достаточно большой промежуток времени. Если нас интерес промежуток времени, где влияние границ несущественно, то вместо полной задачи можно рассмотреть:
Для неограниченной струны, где начальные условия не нужны.
, - это предельный случай (задача Коши).
- это задача о полу бесконечной струне, начальные условия несущественны.
Для уравнения с частными производными второго порядка существует несколько методов:
Метод распространения вол ( метод Даламбера).
Метод функции Грина.
Метод разделения переменных (метод Фурье).