- •3.1. Основные задачи.
- •3 .1.1. Поперечные колебания струны.
- •3.1.2. Продольные колебания стержня.
- •3.1.3. Поперечные колебания мембраны.
- •3.2. Граничные и начальные условия.
- •3.3. Метод распространяющихся волн.
- •3.4. Метод разделения переменных.
- •3.5.Колебания прямоугольной мембраны.
- •3.6.Колебания круглой мембраны.
- •Колебания прямоугольной мембраны.
- •Колебания круглой мембраны.
- •Уравнения параболического типа. Линейная задача о распространении тепла.
- •Уравнения параболического типа. Начальные и краевые условия.
- •Уравнения параболического типа. Пространственная задача теплопроводности.
- •Уравнения параболического типа. Начальные и краевые условия.
Уравнения параболического типа. Пространственная задача теплопроводности.
Будем рассматривать
неравномерно нагретое тело, температура
которого в каждой точке (x,y,z) в момент
времени t определяется функцией
u(x,y,z,t). В фиксированный момент времени
t совокупность точек, в которых
Образует
изотермическую поверхность. Направление
наибольшей скорости изменения температуры
u совпадает с направлением градиента
функции u(x,y,z,t) при фиксированном значении
t:
Величина теплового
потока через малый участок
изотермической поверхности за время
равна
- нормаль, единичный
вектор
Здесь k – коэффициент
теплопроводности.
Тогда поток тепла
через участок
любой поверхности за время
будет равен
Если ввести вектор теплового потока
то
Если рассмотреть поток через замкнутую поверхность, то
Применяя теорему Остроградского-Гаусса, получаем
де V – часть тела,
ограниченная поверхностью S.
В результате
Следовательно
Где
основное уравнение теплопроводности.
Уравнения параболического типа. Начальные и краевые условия.
Начальное условие – задание распределения температур во всех точках тела в начальный момент времени
Краевое условие
задается на поверхности G, ограничивающей
тело. Поток тепла изнутри тела через
любую часть поверхности тела G
пропорционален перепаду температур на
этой части границы:
где
– температура окружающей среды в
граничащих с телом точках (G), h –
коэффициент теплообмена. С учетом
выражения
получаем
В частных случаях краевое условие упрощается. Например, h = 0, что соответствует теплоизолированной границе
Другой частный
случай
,
т.е. коэффициент внешней теплопроводности
очень большой. Получаем
что означает, что
на границе тело имеет температуру
внешней среды.
Задачи диффузии.
Концентрация – число атомов и молекул этого вещества в единице объема.
В задачах диффузии находится неизвестная функция – концентрация диффундирующего вещества, обозначаемая
Процесс диффузии аналогичен теплопроводности, поэтому уравнение диффузии будет иметь вид
Здесь D – коэффициент
диффузии.
Начальные условия
–
мы задаем начальную концентрацию. Краевые условия
соответствует
тому, что граница G непроницаема для
диффундирующего вещества,
- концентрация на границе
Решение задачи теплопроводности в бесконечном стержне методом Фурье.
Рассматривается тонкий длинный теплопроводящий стержень, боковая поверхность которого теплоизолирована. Уравнение теплопроводности для него имеет вид
В случае если
стержень очень длинный, то на процессы
в средней его части условия на границе
не будут сказываться в течение конечного
времени. В таких задачах стержень
считается бесконечным. В результате мы
будем иметь только начальное условие
тогда
уравнение принимает
вид
начальное условие
Будем искать решение
в виде
или
Так как левая часть
этого уравнение зависит только от
,
а правая – только от x, то мы можем сделать
вывод, что равенство возможно только в
том случае, если и левая и правая части
равны одной и той же константе:
В результате для
Т(
)
получаем
Так как температура
стержня должна оставаться конечной при
,
то должно быть
,
т.е. мы можем положить
и
Уравнение для X(x) принимает вид
и его общее решение
Тогда
A = A(
),
B = B(
)
и семейство частных решений уравнения
имеет вид
Или
Неизвестные функции A( ) и B( ) подбираются так, чтобы удовлетворить начальному условию:
которое примет вид
Это решение задачи о теплопроводности в бесконечном стержне. Оно может быть преобразовано к виду
В этом случае решение задачи будет иметь вид
и по теореме о
среднем оно может быть записано следующим
образом
Количество теплоты,
переданное стержню, пропорционально
произведению
и при
должно оставаться конечным
=1
получаем, что
при
.
Т.о., точечный тепловой импульс может
быть записан в виде δ-функции Дирака:
которое есть
фундаментальное решение
при
