Transcript A = A(x)

Slide 1

[ основные типы уравнений второго порядка в математической физике - уравнение теплопроводности - уравнения в
частных производные - уравнения переноса количества движения в жидкости – волновое уравнение – примеры ]


Slide 2

Под термином “Уравнения математической физики” обычно понимают
линейные дифференциальные уравнения второго порядка с частными
производными, к которым приводит моделирование определенных
физических задач.

a11

2

 u
x

2

 2 a12

2

 u
xy

 a22

2

 u
y

где a11(x,y), a12(x,y), a22(x,y)

2

 F ( x , y ,u ,

u
x

,

u
y

) 0

некоторые функции двух переменных.

Три основных типа уравнений:
2
Гиперболический тип: a12
 a11 a22  0

Эллиптический тип:

2

a12  a11 a22  0

2
Параболический тип: a12
 a11 a22  0


Slide 3

Дифференциальными уравнениями в частных производных описываются
математические модели переноса в сплошных средах.

Одномерный перенос тепла

qx  kA

T
x

o

A(x)
T(x)
x
dx

Скорость, с которой тепло поступает в контрольный объем слева, через
поперечное сечение A выделенного объема, может быть записана на
основании закона Фурье.
k - коэффициент теплопроводности материала.
T
x

A = A(x) - площадь поперечного сечения тела.
- скорость изменения температуры (градиент) вдоль оси тела.


Slide 4

Скорость с которой тепло покидает правое сечение выделенного объема
qx dx  qx 

qx
x

dx  kA

T

x



 
T 
  kA
dx
x 
x 

Уравнение баланса энергии для выделенного контрольного объема за время
dt содержит следующие члены: входящее тепло за время dt + тепло,
образованное за счет внутренних источников за время dt = выходящее
тепло за время dt + изменение внутренней энергии объема за время dt
T
qx dt  QAdt  qx dx dt  cp 
dt
t
где Q - скорость генерации тепла, приходящая на единицу объема (тепловой
источник), cp - теплоемкость,  - плотность и
температуры контрольного объема за время dt.
Получаем нестационарное уравнение
теплопроводности

cp 

T
t

T
t



dt  dT

-

изменение

 
T 
kA

  QA
x 
x 


Slide 5

Специальные случаи определяются физическими условиями процесса передачи
тепла и описываются следующими типами дифференциальных уравнений в
частных производных:
 
T
kA

t
x 
x
 
T 
kA
Уравнение Пуассона:

  QA
x 
x 

Уравнение Фурье: c p 

Уравнение Лапласа:
Уравнение Лапласа:

T




 ( отсутствует источник тепла – Q = 0 )

 0 (стационарный процесс)

 
T 
 kA
  0 (стационарный процесс без
x 
x 
тепловыделения - Q = 0 )
2

T
x

2

0

(стационарный процесс в теле постоянного
сечения и с постоянным
коэффициентом теплопроводности)


Slide 6

Одномерное движение жидкости
Для каждого поперечного сечения A в конфузоре расход жидкости будет
одинаков UA = const, где  - плотность, U - скорость течения, A - площадь
поперечного сечения.
A(x)
Это условие

можно записать
U(x)
UA   0
x
как уравнение
o
x
сохранения
массы:
Если считать жидкость несжимаемой, а поле скоростей имеющим потенциал

, то уравнение движения примет вид:
U ( x )  grad (x) 
i
x






A

 0
x 
x 


Slide 7

Вывод подобных уравнений для трехмерного физического пространства удобно делать
с использование интегральных соотношений из теории поля.
Например, уравнение нестационарной теплопроводности в трехмерном случае
изотропного тела (из однородного материала с постоянным коэффициентом
теплопроводности) может быть записано в следующем виде:

T
T(a)

T
t

c p T

2



k T
c p x 2

k t

T(x,0)

T ( x ,)

T(b)

x

o

a

b

2



T
x

2

2



T
y

2

2



T
z

2



Q
k

Решение уравнений в частных производных требует
знания начальных условий - распределение
температуры в начальный момент времени и граничных
условий - распределение температуры и/или ее
градиентов на границе. Для линейных уравнений общее
решение может быть найдено как суперпозиция
решений стационарного уравнения и решения для
нестационарных условий.


Slide 8

u

o

Уравнение колебаний струны

L

x

Дана тонкая однородная нить, работающая только на растяжение – струна.

В положении равновесия струна представляет собой отрезок 0

 x  L

Концы струны закреплены в точках x = 0 и x = L .
Струна выводится из положения равновесия (принимает форму дуги с
уравнением f(x) ) и отпускается.
Возникают свободные колебания струны около положения равновесия.


Slide 9

u
T
o

M
P

M1

T

P1
x x+dx

L

x

На элемент струны MM1 (в положении равновесия - отрезок PP1 массой Dx )
действуют силы натяжения T и T + dT , направленные по касательной с
углами a и a  Da относительно оси x .

К этим двум силам добавляется сила инерции

 2 u
I   Dx 
2
 t

Равнодействующая всех трех сил будет равна нулю.




M


Slide 10

u
T

P

o

Проекция на ось x : (T
Проекция на ось u :

M

M1

T

P1
x x+dx

L

 DT ) cos( a  Da )  T cos a  0

x
T0  T cos a

 2 u
(T  DT ) sin( a  Da )  T sin a  Dx 
2
 t

 u 
T sin a  T0 ( t )tg a  T0 ( t ) 

 x M



  u 
Dx 
  x 
M

T0 ( t )
Dx








 0

M
 2 u
 
 t 2





M


Slide 11

u
T
o

M
P

M1

P1
x x+dx

T
L

x

Переходя к пределу при Dx  0 (устремляя к нулю длину элемента MM1),
2
 2 u 
 2 u 
T0 ( t ) 2 u

u
получим T0 ( t )  2     2 

2
2

 x M
 t M
t
x
T (t )
2
При малых по абсолютной величине колебаниях 0
 const  a

2
2
 u
2  u

a
Уравнение колебаний струны:
2
2
t
x


Slide 12

u

f(x)
L

o

(x)

x

Начальные условия:
2

 u
t

2

 a

2

2

 u
x

1) u ( x ,0 )  f ( x )

2)

u ( x ,0 )

2

t

 ( x )

Граничные условия:
1) u ( 0 ,t )  0

2) u ( L,t )  0


Slide 13

2

 u

u

t

 a

2

2

 u

2

x

2

u ( x ,t )  F ( x  at )  G ( x  at )
L

o
u

 F

t
2

 u
t

2

2

 u
t

2

'

( x  at )
t
2

 a (F
2

''

 a (F

G

''

G )
''

''

'

x
( x  at )
t

u
x

G )  a

2

 F
2

 u
x

2

'

 aF

G

'

'

 aG

'

2

 u
x

2

 F

''

G

''


Slide 14

u

Начальные условия: u ( x ,0 )  f ( x )
u ( x ,t ) 

(x)

f(x)

o
x  at


  1



(
v
)
dv



t  2 a x  at

x  at
2 

1

 ( v ) dv

2 
2
a
t 
x  at
  1

x  2 a


2

x

2

x  at

x  at

( f ( x  at )  f ( x  at )) 

L
1
2a



1




2a



 ( v ) dv  

x  at

2

t

 ( x )
1
2a

x  at

  ( v ) dv

x  at

x

( a ( x  at )  ( a )  ( x  at ))


 1
1
1
1

 
 ( x  at )  
a  
a   0
  ( x  at ) 


t
2
2
2
2




 ( v ) dv  

x  at

 1

2a




1

u ( x ,0 )




(  ( x  at )   ( x  at ))

  1
1



 ( x  at ) 
 ( x  at )  

 0

x  2 a
2a
2a
2a


0 0


Slide 15

@

Найти движение струны, первоначально находящейся
в нейтральном положении и имеющей скорость в
начальный момент времени
2

 u
t

2

 a

u ( x ,t ) 

2

1
2a

x
L

)

2

Решение

x  at



t

 sin(

L = 9, a =2

2

 u
x

u

sin

x  at

u ( x ,t ) 

v
L

dv



L

x
at
x
at 

cos(

)  cos(

)

2 a 
L
L
L
L 

9 
x
2 t
x
2 t
cos(

)

cos(

4  
9
9
9
9



)