MK-8

DRGANIA POPRZECZNE STRUNY

Zadanie przykładowe

Znaleźć przybliżone rozwiązanie równanie drgań poprzecznych struny zamocowanej nieruchomo na końcach z dokładnością do 50 form drgań. Przyjąć następujące dane: długość l = 1 [m], gęstość liniowa ρ =0.1 [kg/m], naciąg T = 1000 [N], oraz warunki początkowe

∂ (

w x, t)

w( x )

0

, = w ( x) = x 0

( l − x),

= v ( x) = 0

0

.

t=0

∂ t

Rozwiązanie przedstawić jako animację.

Równanie drgań poprzecznych struny ma postać 2

∂ (

w x, t)

2

∂

2

(

w x, t)

− v

= 0

2

2

∂ t

∂ x

gdzie

= T

v 2

ρ

Rozwiązanie powyższego równania zawierające n form drgań jest następujące n

w( x, t) = ∑ X x T t i ( ) ⋅ i ( ) i=1

π ix 

gdzie X

sin

oznaczają formy drgań struny zamocowanej nieruchomo na końcach, a i ( x) =





 l 

T

=

cos ω +

sin ω . A

i ( t )

Ai

( ti) Bi ( ti) i, Bi to stałe wyznaczane z warunków początkowych, ω i jest częstością v

drgań, którą można wyznaczyć ze wzoru ω = π i . W przypadku, gdy prędkość początkowa struny i

l

równa jest zeru stałe Bi = 0, i = 1.. n.

Rozwiązanie zadania w Maple’u Dane

> restart:

> l:=1;T:=1000;rho:=1/10;

> v:=sqrt(T/rho);

funkcje definiujące formy i częstości drgań

> X:=(x,i)->sin(Pi*i*x/l);

> omega:=i->v/l*Pi*i;

> n:=50; # liczba określająca ilość form własnych w rozwiązaniu warunek początkowy

> w0:=x->x*(l-x);

> plot(w0(x),x=0..l);

wyznaczanie stałych Ai

> for i to n do

A[i]:=evalf(Int(w0(x)*X(x,i),x=0..l))/evalf(Int(X(x,i)^2,x=0..l)); p[i]:=plot([[i,0],[i,A[i]]]): end do:

> plots[display](seq(p[i],i=1..n)); # wykres widma stałych Ai

funkcja przedstawiająca rozwiązanie równania struny

> w:=(x,t)->add(A[i]*cos(omega(i)*t)*X(x,i),i=1..n):

> plots[animate](w(x,t),x=0..l,t=0..2*Pi/omega(1),frames=50); Zadanie

Rozwiązać powyższy przykład przy następujących warunkach początkowych: 4





1

a) w ( x) =

l



− x −  +

0



2 

16

b)

2

w ( x) = x l − x 0

(

)2

2 x

dla ≤ l

x



c) w ( x) =

2

0



l

− 2 x + 2

dla

< x ≤ l



2



l

4 x

dla x ≤



d)

4

w ( x) =

0

4

 (

l

1− x)

dla

< x ≤ l

3

4



l

4 x

dla x ≤



4



l

3

e) w ( x) =  4

− x + 2

dla

< x ≤ l

0

4

4



3

4 x − 4

dla

l < x ≤ l



4

l

 2π 

oraz w każdym przypadku wykreślić ruch przekroju struny x = w przedziale czasu t ∈ ; 0

3





 ω1 