- •Основные цели и задачи мат физики. Предмет и методы ее исследования.
- •2. Постановка краевой задачи поперечных колебаний тонкой струны.
- •Постановка краевой задачи продольных колебаний стержня.
- •4. Постановка краевой задачи стационарного обтекания тела идеальной жидкостью.
- •5. Постановка краевой задачи переноса тепла в неподвижной среде.
- •6. Классификация краевых задач мат физики. Общая постановка краевых задач мат физики. Понятие корректно и некорректно поставленной задачи.
- •7. Классификация диф ур-й 2 порядка с 2 независимыми переменными.
- •10. Приведение к каноническому виду уравнений эллиптического типа.
- •8. Приведение к каноническому виду уравнений гиперболического типа.
- •9. Приведение к каноническому виду уравнений параболического типа.
- •11. Уравнение Трикоми. Канонический вид ур-я Трикоми.
- •12. Классификация уравнений 2 порядка с числом независимых переменных больше 2.
- •13. Постановка задачи ш-л. Основные свойства собственных значений и собственных функций.
- •14. Основная идея и расчетная схема метода разделения переменных.
- •15. Задача ш-л для отрезка.
- •16. Задача ш-л для отрезка с периодическими граничными условиями.
- •17. Задача Штурма-Лиувиля для прямоугольника и прямоугольного параллелепипеда.
- •18. Задача ш-л для круга.
- •19. Задача ш-л для кругового сектора.
- •20. Задача ш-л для кругового кольца.
- •21. Задача ш-л для цилиндра.
- •22. Задача ш-л для шара.
- •23. Задача ш-л для шарового слоя.
-
Постановка краевой задачи продольных колебаний стержня.
Рассмотрим задачу о малых продольных
колебаниях стержня длины
.
В момент времени
его поперечным сечениям сообщены малые
продольные смещения и скорости. Поставим
задачу исследования положения всех
точек стержня в момент времени
.
Будем при этом предполагать, что все
точки произвольного сечения колеблются
одинаково. Рассмотрим следующие случаи:
а) концы стержня жестко закреплены;
б) концы стержня движутся в предельном направлении по заданным законам.
в) концы стержня свободны;
г) концы стержня упруго закреплены.
Пусть ось Ox совпадает
с направлением оси стержня. Выберем
некоторое сечение стержня
,
смещение которого обозначим через
.
Рассмотрим также сечение
,
расположенное от
на расстоянии
.
Смещение сечения
равно:

Тогда относительное удлинение участка
стержня, расположенного между этими
сечениями равно:
Тогда
по закону Гука, напряжение в сечении
стержня:

где
E – модуль упругости, а
сила упругости

Здесь
s – площадь поперечного
сечения. Найдем силу, действующую на
участок
:

Эти
силы направлены в противоположные
стороны и «растягивают» участок стержня
между сечениями
и
.
Но т.к. расстояние
мало, можно приложить их в одну точку и
вычислить равнодействующую, которая
вызывает движение участка стержня:

В общем случае на стержень также действуют
внешние силы. Пусть
– объемная плотность внешних сил. Тогда

На основании второго закона Ньютона
запишем уравнение движения участка
стержня между сечениями
и
:

Здесь
– масса участка стержня между сечениями
и
.
Пусть
– объемная плотность стержня. Тогда
,
что позволяет записать:

Если
,
то

Здесь
,
.
Уравнения (6) и (7) являются уравнениями
колебаний. На уравнения (6) и (7) накладываются
начальные условия:

Рассмотрим граничные условия.
а) В случае жесткого закрепления концы стержня не отклоняются, следовательно:

б) Если законы движения концов стержня заданы, то

Потребуем непротиворечивости начальных и граничных условий. Запишем:

в) Если концы стержня свободны, то упругие силы

на границах равны нулю, что позволяет записать:

г) Если концы стержня закреплены упруго, то упругие силы на границах пропорциональны смещению:

откуда следует:

Здесь
,
.
Итак, продольные колебания стержня описываются уравнением (6), (7) с начальными условиями (8) и граничными условиями (9)-(13).
4. Постановка краевой задачи стационарного обтекания тела идеальной жидкостью.
Рассмотрим движение жидкости, пренебрегая
вязкими силами (идеальная жидкость).
Пусть
– вектор скорости движения жидкости,
– плотность жидкости,
– мощность источников. Выделим в жидкости
произвольный объем Ω,
ограниченный поверхностью S.
Изменение массы жидкости в объеме Ω в единицу времени равно

По закону сохранения массы

где
– количество жидкости, выделенной
источниками;
– количество жидкости, вытекающей из
объема Ω через поверхность S:

Применяя теорему Остроградского-Гаусса, получим:

Подставляя (3), (4), (1) в (2), имеем:

Определенный интеграл по конечному объему может быть равен нулю только в том случае, когда подынтегральное выражение равно нулю. Имеем:

Уравнение (6) получило название уравнения неразрывности.
Рассмотрим задачу о стационарном
обтекании твердого тела Ω с границей S
потенциальным потоком несжимаемой
однородной идеальной жидкости при
отсутствии источников. Скорость жидкости
на бесконечности равна
.
Поскольку жидкость несжимаемая, то ее
плотность остается постоянной:
.
Мощность источников равна нулю. Тогда
уравнение принимает вид:

Также учтем, что поток жидкости остается потенциальным. Тогда запишем:
Подставим (7) в (8):
и
перепишем в виде:

здесь
– потенциал скорости. Сформулируем
граничные условия, накладываемые на
(9).
1) условие на бесконечности и записывается в виде:

2) записывается для поверхности S и характеризует ее непроницаемость:
.
Поскольку
имеем: 
