Ondas e vibração

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

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Uma corda ideal, sem amortecimento e fixa nas extremidades, pode partir da posição de equilíbrio e ainda assim mover-se, se tiver velocidade inicial. Por isso, resolver utt=c2uxxu_{tt}=c^2u_{xx} exige tanto o deslocamento f(x)f(x) como a velocidade g(x)g(x), com c>0c>0.

Separação com dois dados

Em 0<x<L0<x<L, utt=c2uxxu_{tt}=c^2u_{xx}, com u(0,t)=u(L,t)=0u(0,t)=u(L,t)=0, u(x,0)=f(x)u(x,0)=f(x) e ut(x,0)=g(x)u_t(x,0)=g(x), o ensaio u=X(x)T(t)u=X(x)T(t) dá T′′/c2T=X′′/X=−λT''/c^2T=X''/X=-\lambda. Os modos espaciais são os mesmos do calor: sin⁡(nπx/L)\sin(n\pi x/L) com λn=(nπ/L)2\lambda_n=(n\pi/L)^2. No tempo, cada modo oscila:

Tn=Ancos⁡nπctL+Bnsin⁡nπctL.T_n=A_n\cos\frac{n\pi c t}{L}+B_n\sin\frac{n\pi c t}{L}.

A solução é

u(x,t)=∑n=1∞sin⁡nπxL(Ancos⁡nπctL+Bnsin⁡nπctL).u(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}\sin\frac{n\pi x}{L}\left(A_n\cos\frac{n\pi c t}{L}+B_n\sin\frac{n\pi c t}{L}\right).

Em t=0t=0, o cosseno vale 1 e o seno vale 0, logo ff escolhe AnA_n. Ao derivar no tempo, o seno introduz a frequência ωn=nπc/L\omega_n=n\pi c/L, logo gg escolhe ωnBn\omega_n B_n:

An=2L∫0Lf(x)sin⁡nπxL dx,Bn=2Lωn∫0Lg(x)sin⁡nπxL dx.A_n=\frac2L\int_0^L f(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx,\qquad B_n=\frac{2}{L\omega_n}\int_0^L g(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx.

O fator 1/ωn1/\omega_n distingue a amplitude do deslocamento da amplitude da velocidade. A soma é uma solução clássica quando os dados têm regularidade e compatibilidade suficientes para derivar a série; dados por troços podem exigir uma interpretação mais fraca.

Velocidade inicial

Com L=πL=\pi, c=1c=1, f=0f=0 e g(x)=sin⁡xg(x)=\sin x, só o primeiro modo aparece. Então A1=0A_1=0 e B1⋅1=1B_1\cdot1=1, logo

u(x,t)=sin⁡xsin⁡t.u(x,t)=\sin x\sin t.

Confere: utt=−sin⁡xsin⁡t=uxxu_{tt}=-\sin x\sin t=u_{xx}; as fronteiras são nulas; u(x,0)=0u(x,0)=0 e ut(x,0)=sin⁡xu_t(x,0)=\sin x. A energia oscila entre cinética e potencial sem decair, ao contrário do calor.

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.

Deslocamento e velocidade juntos

Com L=1L=1, c=1c=1 e f(x)=g(x)=x(1−x)f(x)=g(x)=x(1-x), a conta de Fourier da parábola dá

An=4(1−(−1)n)n3π3,Bn=Annπ.A_n=\frac{4(1-(-1)^n)}{n^3\pi^3},\qquad B_n=\frac{A_n}{n\pi}.

Portanto, a solução soma estes modos com os dois dados,

u(x,t)=∑n≥1n ıˊmpar8n3π3sin⁡(nπx)(cos⁡(nπt)+sin⁡(nπt)nπ).u(x,t)=\sum_{\substack{n\ge1\\n\text{ ímpar}}}\frac8{n^3\pi^3}\sin(n\pi x) \left(\cos(n\pi t)+\frac{\sin(n\pi t)}{n\pi}\right).

Em t=0t=0 recuperamos ff; a derivada temporal cancela o denominador nπn\pi e recupera gg. Cada modo satisfaz utt=uxxu_{tt}=u_{xx} e os dois extremos fixos.

Um dado como 0,01sin⁡(3πx)0{,}01\sin(3\pi x) é um modo puro em (0,1)(0,1), mas não em (0,π)(0,\pi): os modos dependem do comprimento. Confere o argumento do seno e o intervalo antes de reduzir uma série a um termo.

Sem a velocidade inicial, os BnB_n ficam indeterminados.

Exercícios

Onda com velocidade inicial

Resolve utt=uxxu_{tt}=u_{xx} em 0<x<π0\lt x\lt\pi, com fronteiras nulas, u(x,0)=0u(x,0)=0 e ut(x,0)=sin⁡(2x)u_t(x,0)=\sin(2x).

Pista
Escolhe o modo espacial compatível com sin⁡(2x)\sin(2x) e calcula a sua frequência.
Solução

A condição de deslocamento dá A=0A=0. Como ut(x,0)=2Bsin⁡(2x)u_t(x,0)=2B\sin(2x), temos B=1/2B=1/2:

u(x,t)=12sin⁡(2x)sin⁡(2t).u(x,t)=\tfrac12\sin(2x)\sin(2t).

As segundas derivadas são ambas −4u-4u, os extremos são nulos e ut(x,0)=sin⁡(2x)u_t(x,0)=\sin(2x). Sem dividir pela frequência 2, duplicaríamos a velocidade inicial.

Confere a tua resposta:

  • Separei os coeficientes do deslocamento e da velocidade.
  • Apliquei as duas condições em t=0.
  • Verifiquei a EDP e as fronteiras.

Erros frequentes

A equação das ondas precisa dos dois dados. Com só um, infinitas soluções partilham o mesmo deslocamento inicial.

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