Métodos Matemáticos en Física III€¦ · 2 Métodos Matemáticos en Física L.5B Método...

Post on 07-Oct-2020

10 views 0 download

Transcript of Métodos Matemáticos en Física III€¦ · 2 Métodos Matemáticos en Física L.5B Método...

1

Métodos Matemáticos en Física III

Ec. Diff-Deriv. ParEc.Ondas, Laplace, Poisson, Ec. Difusion

Problemas

ESTACIONARIOS o No estacionarios

PROCESOS FísicosEn 1D / 2D Ondas en solidos, gases o liquidos, Conduccion de calor,Electroestatica

Cond. ContornoCC1-3;CC para solución en infinito

Examen Parcial Oct.27 /2014 FORMULACION MATEMATICA

2

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

APL: 6.1 Oscilaciones transversales de una membrana rectangular (BORDES FIJOS)

Escojamos el sistema de coordenadas de tal manera que la membrana se encuentre enel cuadrante positivo con uno de sus vértices en el origen.

1

3

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Ondas estacionarias

Es razonable pensar que, de entre todo el conjunto de movimientos permitidos, existan algunos de ellos en los que se conserve un determinado perfil de desplazamientos

Sustituimos en Ec. 1

=-

4

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Tenemos que resolver 2 ecuaciones

Para que cumplan CC, necesitamos que:

2

3

5

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Como contorno es perpendicular, podemos buscar auto funciones como

Para que cumplan CC anteriores, necesitamos que:

4

6

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

22 2

2

[ ] [ ] [ ] [ ]

1 1[ ] [ ] => -

>

-

=

d d d dXY XY Y X X Ydx dy dx dy

XY XY

d dX YX dx Y dy

7

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Sustituyendo (4): v(x,y)=X*Y en Ec.3 obtenemos:

donde

8

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Autofunciones y autovalores ya hemos calculado antes:

9

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Entonces:

con

Ortoganalidad de autofunciones vnm

NOTA: se suman de cuadrados de frecuenciasPara obtener cuadrado de frec. angular total

10

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Para cada nm tenemos ecuación

Con solución general ( autovalores son positivos)

11

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Frecuencia mas baja

Tiene perfil

12

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Autovalores degenerados: ejemplo de membrana cuadrada

El perfil de desplazamientos asociado

13

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Movimiento de la membrana como superposición de ondas estacionarias

Suponemos Cond. Iniciales

14

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Usando CI

Multiplicando por Y integrando entre 0Lx;Ly

15

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

o

16

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Analógicamente, de segunda CI (error en el libro APL)

1/nm

17

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

CLASE (1p):Membrana con bordes:2 libres + 2 fijosAutovalores+Autofuncones de problema SL

2 Problemas SL con CC

2

x

y

izquierdo: u(0,y)=0LIBRE derecho: u (a,y)=0

LIBRE abajo u (x,0)=0

arriba : u(x,b)=0

ttu c u

Fijo

Fijo

x

y

a

b

libre

libreFijo

Fijo

18

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

CLASE:Membrana con bordes:2 libres + 2 fijos

Problema SL (x)

2

n

2 2

xx

X(0)=0

( ) ( , )

0 izquierdo: u(0,y)=0 =>

LI X (a)BRE derecho: u (a,y)=0 =>=>

X (x)=Sen[ (2 1) ]2

[ (2 1)]

0

2

=

xx

u T t v x yv

vv XY

X XFijo

n xa

na

x

y

a

b

libre

libreFijo

Fijo

19

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

CLASE:Membrana con bordes:2 libres + 2 fijos

Problema SL (x)

2

m

y

2

2

y

0

LIBRE abajo u (x,0)=0 = Y (0)=0

Y(b)=0

>

arriba : u(x,b)=0 =>

(x)=Cos[ (2 1) ]2

yy

vv

v XY

Y Y

Fijo

Y m yb

x

y

a

b

libre

libreFijo

Fijo

20

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Autovalores y autofunciones de problema SL:

2 2, [ (2 1)] [ (2 1)]

2 2

( , ) [ (2 1) ]*Cos[ (2 1) ]2 2

n m

nm

n ma b

v x y Sen n x m ya b

x

y

a

b

libre

libreFijo

Fijo

21

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Membrana con TODOS bordes libres

Problema SL conCC

22

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Auto función que corresponde a autovalor CERO

analógicamente con procedimiento anterior Encontramos lafrecuencia mas baja

Perfil correspondiente:

23

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

La frecuencia principal de una membrana cuadradacuyos extremos se pueden desplazar libremente se encuentra doblemente degenerada.

Con A,B arbitrarias

24

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Metodo de Separación de Variables para resolver Ec. Fourier en 2D(Libro Asmar)

a

b

25

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Aplicamos método de separación de variables

26

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Aplicamos método de separación de variables

CC para variable espacial

= -2

27

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Suma de funciones de variables independientes puede ser CONST solo que cada de estas funciones es CONST

28

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Aplicamos método de separación de variables

29

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Aplicamos método de separación de variables

30

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

31

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Ec. diferencial para variable temporal

32

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

SOLUCION GENERAL

33

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Hallamos coeficientes de CI

Multiplicando por Y integrando de 0a

34

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

como

35

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Multiplicando por Y integrando de 0b

36

Métodos Matemáticos en FísicaL.5B Método Fourier: membrana rectangular

Entonces