Колебания круглой мембраны

Колебания круглой мембраны

Колебания круглой мембраны

Колебания круглой мембраны

Колебания круглой мембраны

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Решение задач по математике

Метод Фурье разделения переменных применяется также при изучении колебаний ограниченных тел, плоских или объемных. Рассмотрим в качестве примера задачу о свободных колебаниях под действием начальных возмущений однородной круглой мембраны радиуса г о с центром в начале координат, закрепленной по краю. Уравнение колебаний мембраны имеет вид Введем полярные координаты г, (р. Тогда отклонение точек мембраны будет функцией полярных координат г, и времени ).

Пользуясь выражением для оператора Лапласа в полярных координатах, запишем уравнение колебаний мембраны в сле/ующем виде: Колебания круглой мембраны (мембрана закреплена по краю) и начальным условиям Таким образом, задача о колебаниях мембраны ставится так: найти фу нкцию ti(r, удовлетворяющую уравнению граничным условиям.

Ограничимся важным частным случаем осесимметричных колебаний, когда начальные функции f nF не зависят от Ясно, что тогда в любой момент времени t > О величина отклонения мембраны не будет зависеть от полярного угла а будет только функцией г и t, и = u(r, t). Это означает, что при любом фиксированном t форма колеблющейся мембраны будет описываться поверхностью вращения.

При этом предположении задача сводится к отысканию решения ti(r, t) уравнения (4) при граничном условии (5) и начальныхусловиях ди I Применяя метод разделения переменных, будем искать нетривиальные решения уравнения (4),удовлетворяющие граничному условию (5), в виде Подставляя функцию «(г, t) в форме (7) в уравнение (4) и разделяя переменные, получим Равенства (8) приводят к двум обыкновенным дифференциальным уравнениям (условие выражает естественное требование ограниченности решения u(r, t) в центре мембраны, т. е. при г = 0).

Задача (10)-( 11) имеет очевидное тривиальное решение Я(г) = 0, которое нас не устраивает.

Итак, мы пришли к задаче на собственные значения: найти те значения параметра А, при которых существуют нетривиальные решения задачи (10)—(11), и отыскать эти решения. Запишем уравнение (10) в следующем виде: Это дифференциальное уравнение Бесселя с v = 0. Его общее решение . Из условия |+оо следует, что Сг = 0 (функция Неймана .

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Эффективное использование электроэнергии
Биматричные игра. Примеры решения
Перекрытия горизонтальные несущие и ограждающие конструкции
Химическая теория растворов Д. И. Менделеева

Таким образом, Граничное условие Д(г0) = 0 дает откуда следует, что число л/Аго должно быть одним из нулей функции Бесселя т.е. где Рк — нуль функции Jo{x). Известно, что функция имеет бесконечное множество положительных нулей откуда получаем собственные значения и соответствующие собственные функции задачи (10)-(11).

При А = Ап общее решение уравнения (9)

имеет вид Колебания круглой мембраны Функция будет решением уравнения (4), удовлетворяющим граничному условию (5). Она определяет стоячие осесимметричные вол ны круглой мембраны. Решение исходной задачи (4)-(6) ищем в виде формального ряда (12) коэффициенты Ап и Вп которого определяются из начальных условий т.е. мы приходим к разложению данных функций /r) в ряды по функциям Бесселя. Нетрудно проверить, что при т ф п функции Jr) ортогональны на [0, го] с весом г.

Известно, что всякая функция Ф(, удовлетворяющая граничным условиям задачи, может быть разложена в абсолютно и равномерно сходящийся ряд Фурье—Бесселя Колебания круглой мембраны Пользуясь этим, при достаточно гладких начальных условиях /(г) и F(r) получаем для коэффициентов Фурье—Бесселя функций /(г) и F(r) сле/^гощие формулы: Подставим найденные значения An и Bn в формулу (12). Если при этом ряд (12) сходится равномерно, так же как и ряды, получаемые из него двукратным почленным дифференцированием по каждому из аргументов t и г, то мы получаем решение задачи (4)-(6).