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If you want to find the secrets of the universe, think in terms of
energy, frequency and vibration.
Nikola Tesla
(1856-1943)
INTENSIDADE DE UMA CORDA Vamos calcular a energia transmitida pela onda, por unidade de tempo, através de um ponto da corda.
Essa força realiza trabalho. Trabalho por tempo fornece a potência instantânea:
Potência instantânea:
Potência média:
𝑣 =𝑇
𝜇 𝑘𝑣 = 𝜔
REFLEXÃO DE ONDAS EXTREMIDADE FIXA
𝑓(𝑥 − 𝑣𝑡) 𝑔(𝑥 + 𝑣𝑡)
𝑦 0, 𝑡 = 0 = 𝑓 −𝑣𝑡 + 𝑔 𝑣𝑡 ⇒ 𝑓 −𝑣𝑡 = −𝑔 𝑣𝑡
O pulso refletido volta invertido após a reflexão: a reflexão numa
extremidade fixa produz uma defasagem de 1800.
REFLEXÃO DE ONDAS EXTREMIDADE LIVRE
𝑓(𝑥 − 𝑣𝑡) 𝑔(𝑥 + 𝑣𝑡)
𝐹𝑦 = −𝑇𝜕𝑦
𝜕𝑥0, 𝑡 = 0 = 𝑓′ −𝑣𝑡 + 𝑔′ 𝑣𝑡 ⇒ 𝑓 −𝑣𝑡 = 𝑔(𝑣𝑡)
Numa extremidade livre, um pulso é refletido sem mudança de fase.
Duas cordas conectadas
𝜇1 , 𝑣1 𝜇2, 𝑣2
𝑥 = 0
𝑣2 =𝑇
𝜇2 𝑣1 =
𝑇
𝜇1
𝑦
𝑥
Onda incidente: i
Onda refletida: r
Onda transmitida: t
Condições de contorno:
𝜕𝑦1
𝜕𝑥=
𝜕𝑦2
𝜕𝑥
(Caso contrário, a corda quebra!) 𝑦1 = 𝑦2
(Caso contrário, a corda fica dobrada!) 𝑇 𝑇
massa da junção nula aceleração infinita
Duas cordas conectadas
𝑥 = 0 𝑦
𝑥
Onda incidente: i
Onda refletida: r
Onda transmitida: t
𝜕𝑦1
𝜕𝑥=
𝜕𝑦2
𝜕𝑥
𝑦1 = 𝑦2
𝑦𝑖 = 𝐴𝑖 sin 𝜔1𝑡 − 𝑘1𝑥
𝑦𝑟 = 𝐴𝑟 sin 𝜔1𝑡 + 𝑘1𝑥
𝑦𝑡 = 𝐴𝑡 sin 𝜔1𝑡 − 𝑘2𝑥
𝜔1 = 𝑘1𝑣1=𝑘2𝑣2 Na junção, ambos oscilam com a mesma frequência
𝐴𝑖 + 𝐴𝑟 = 𝐴𝑡
Condições de contorno
−𝑘1𝐴𝑖 + 𝑘1𝐴𝑟 = −𝑘2𝐴𝑡
3 incógnitas, 2 equações.
Duas cordas conectadas
𝑥 = 0 𝑦
Onda incidente: i Onda transmitida: t
𝐴𝑖 + 𝐴𝑟 = 𝐴𝑡
−𝑘1𝐴𝑖 + 𝑘1𝐴𝑟 = −𝑘2𝐴𝑡
1 +𝐴𝑟
𝐴𝑖=
𝐴𝑡
𝐴𝑖
−𝑘1 + 𝑘1
𝐴𝑟
𝐴𝑖= −𝑘2
𝐴𝑟
𝐴𝑖
1 + 𝜌 = 𝜏
𝜌 − 1 = −𝑣1
𝑣2𝜏
𝑘1𝑣1=𝑘2𝑣2
𝜏 =2𝑣2
𝑣1 + 𝑣2
𝜌 =𝑣2 − 𝑣1
𝑣1 + 𝑣2
amplitude de reflexão
amplitude de transmissão
Duas cordas conectadas
𝑥 = 0 𝑦
Onda incidente: i Onda transmitida: t
𝜏 =2𝑣2
𝑣1 + 𝑣2
𝜌 =𝑣2 − 𝑣1
𝑣1 + 𝑣2
𝜇2 = ∞ (parede – extremidade fixa) 𝑣2 = 0
𝜌 = −1 𝜏 = 0
𝑣1 < 𝑣2 𝜇1 > 𝜇2
𝜌 > 0 𝜏 > 0
𝑣1 = 𝑣2 𝜇1 = 𝜇2
𝜌 = 0 𝜏 = 1
MODOS NORMAIS DE VIBRAÇÃO
Padrão de movimento, em que todas as partes do sistema movem-se com a mesma frequência e com uma relação de fase fixa.
𝑥1 𝑡 =1
2𝑞1 𝑡 + 𝑞2(𝑡)
𝑥2 𝑡 =1
2𝑞1 𝑡 − 𝑞2(𝑡)
𝑞1(𝑡) = 𝐴1 cos 𝜔0𝑡 + 𝜑1
𝑞2(𝑡) = 𝐴2 cos 𝜔2𝑡 + 𝜑2
SIMÉTRICO
ANTISIMÉTRICO
MODOS NORMAIS DE VIBRAÇÃO CORDA
𝑦 0, 𝑡 = 𝑦 𝑙, 𝑡 = 0 Condições de contorno:
𝑦 𝑥, 𝑡 = 𝐴 𝑥 cos(𝜔𝑡 + 𝛿) Modos normais:
Corresponde a uma onda estacionária!
𝑦 = 𝑦1 + 𝑦2 = 2𝐴cos(𝑘𝑥) cos(𝜔𝑡)
𝑑2𝐴(𝑥)
𝑑𝑥2 + 𝑘2𝐴 𝑥 = 0, 𝑘 =𝜔
𝑣 Resolvendo a Eq. de Onda:
𝑘𝑛 =𝑛𝜋
𝑙, (𝑛 = 1, 2, 3 … )
𝜔𝑛 = 𝑘𝑛𝑣 =𝑛𝜋
𝑙𝑣
𝜆𝑛 =2𝜋
𝑘𝑛=
2𝑙
𝑛
𝑦𝑛 𝑥, 𝑡 = 𝑏𝑛 sin(𝑘𝑛𝑥) cos(𝜔𝑛𝑡 + 𝛿𝑛) = 𝑏𝑛 sin𝑛𝜋
𝑙𝑥 cos
𝑛𝜋
𝑙𝑣𝑡 + 𝛿𝑛
MOVIMENTO GERAL DA CORDA E ANÁLISE DE FOURIER
N osciladores → N modos normais
N → (corda), é de se esperar que o movimento geral de uma corda vibrante presa nos extremos seja uma superposição de todos os modos normais (série infinita)
Pelo Princípio da Superposição, uma combinação linear de soluções da equação de onda também é solução.
MOVIMENTO GERAL DA CORDA E ANÁLISE DE FOURIER
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830)
IDEIA MALUCA! (1807) Qualquer função periódica pode ser escrita como uma soma de senos e cossenos de frequências diferentes.
Lagrange, Laplace, Poisson não acreditaram!