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1经典数学物理方程导出1.1弦振动方程与定解条件1.2热传导方程与定解条件1.3拉普拉斯方程与定解条件第1页
21.1弦振动方程与定解条件弦振动方程是在18世纪由达朗贝尔等人首先给予系统研究。它是一大类偏微分方程经典代表。一、下面先从物理问题出发来导出弦振动方程。给定一根两端固定且拉紧均匀柔软弦,其长度为L。在外力作用下在平衡位置附近作微小横振动,求弦上各点运动规律。第2页
3将实际问题归结为数学模型时,必须作一些理想化假设,方便抓住问题最本质特征。在考查弦振动问题时基本假设为:1.弦是均匀,弦截面直径与弦长度相比能够忽略,弦线密度是常数。2.弦是柔软,它在形变时不抵抗弯曲,弦上各点所受张力方向与弦切线方向一致,而弦伸长形变与张力关系服从胡克(Hooke)定律。(即指在弹性程度内,物体形变跟引发形变外力成正比)第3页
43.弦在某一平面内作微小横振动即弦位置一直在一直线段附近(平衡位置),而弦上各点均在同一平面内垂直于该直线方向上作微小振动。(“微小”是指弦振动幅度及弦上任意点切线倾角都很小)我们将在上述假定下来导出弦振动方程。先讨论振动过程中不受外力作用时弦振动情形第4页
5为此,选择坐标系以下弦平衡位置为轴,两端分别固定在和处.表示弦上横坐标为点在时刻时沿垂直于轴方向位移。第5页
6为了求弦上任意一点运动规律,必须对弦上任取一小弦弧进行考查。我们首先证实张力为常数(即与位置与时间无关)。假设小弦弧弧长为第6页
7利用弧长公式可知:由假定,弦只作微小振动,与1相比能够忽略不计,从而第7页
8这么我们能够认为这段弦在振动过程中并未伸长,所以由胡克定律知道,弦上每一点所受张力在运动过程中保持不变,即张力与时间无关。接下来,我们只须说明张力与位置无关第8页
9我们分别把在点处张力记作由前所述知他们方向分别是沿着弦在点处切线方向。由假定,弦只作横向振动,所以张力在轴方向分量代数和为零,即有第9页
10因为小振动:于是上式能够写成这就是说,张力也不随地点而异,总而言之,张力是常数,以下记作第10页
11现在来导出弦横振动方程.张力在轴方向分量代数和为因为小振动:第11页
12应用微分中值定理:另首先,因为弦段很小,其上每点加速度相差也不会太大,所以可用其中一点处加速度代替,第12页
13于是该小段弦质量与加速度乘积为当弦不受外力作用时,应用牛顿第二定律,得消去并令第13页
14上式化为这个方程称为弦自由横振动方程。第14页
15若还有外力作用到弦上,其方向垂直于轴,设其力密度为因为弦段很小,其上各点处外力近似相等,所以作用在该段上外力近似地等于第15页
16一样应用牛顿第二定律,得消去并令则得弦强迫横振动方程第16页
17弦振动方程中只含有两个自变量和其中表示时间,表示位置。因为它们描述是弦振动或波动现象,因而又称它为一维波动方程。类似地可导出二维波动方程(比如薄膜振动)和三维波动方程(比如电磁波、声波传输),它们形式分别为第17页
18二、定解条件对于一个确定物理过程,仅建立表征该过程物理量所满足方程还是不够,还要附加一定条件,这些条件应该恰恰足以说明系统初始状态以及边界上物理情况。定解条件包含初始条件和边界条件。初始条件:表征某过程“初始”时刻状态条件。对于弦振动问题来说,初始条件指是弦在“初始”时刻位移和速度。初始位移初始速度第18页
19边界条件:表征某过程物理量在系统边界上所满足物理条件。对于弦振动问题而言,有三种基本类型:1、第一类边界条件(狄利克雷Dirichlet)弦一端运动规律已知,为例,若以表示其运动规律,则边界条件能够表示为尤其,若端被固定,则对应边界条件为非齐次边界条件齐次边界条件以第19页
202、第二类边界条件(诺伊曼Neumann)若弦一端(比如)在垂直于轴直线上自由滑动,且不受到垂直方向外力,这种边界成为自由边界.依据边界微元右端张力沿垂直方向分量是,得出在自由边界时成立若边界张力沿垂直方向分量是t一个已知函数,则对应边界条件为非齐次边界条件齐次边界条件第20页
213、第三类边界条件(鲁宾Robin)若弦一端(比如)固定在弹性支承上,而且弹性支承伸缩符合胡克定律.为则u在端点值表示支承在该点伸长。弦对支承拉力垂直方向分量为若支承位置由胡克定律得所以在弹性支承情形,边界条件归结为第21页
22在数学中也能够考虑更普遍边界条件非齐次边界条件齐次边界条件其中是已知正数.其中是t已知函数。所以在弹性支承情形,边界条件归结为第22页
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