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Grado en Matemáticas

Ecuación de ondas y propagación

Una cuerda puede tener la misma forma inicial y moverse de maneras distintas: también importa cómo de rápido arranca cada punto. Partiremos de esa diferencia y seguiremos dos direcciones de viaje. Después veremos reflexiones, modos y energía, manteniendo siempre separados el desplazamiento y la velocidad inicial.

1. Una cuerda tiene forma inicial y velocidad inicial

Para pequeñas oscilaciones de una cuerda ideal, u(x,t) es el desplazamiento transversal. Inercia y tensión llevan a uₜₜ=c²uₓₓ, donde c² es tensión dividida por densidad lineal.

Aquí c>0 es constante y no hay fuente ni amortiguamiento.
El modelo pide f(x)=u(x,0) y g(x)=uₜ(x,0).

Una fotografía fija f, pero no dice si un punto está subiendo, bajando o quieto. En toda la recta, f C² y g C¹ son, por ejemplo, regularidad suficiente para la solución clásica que construiremos.

La misma foto no fija el movimiento

c=1,f(x)=sen x; compara g=0 y g(x)=sen x.

  1. Primera evolución

    u₁=sen x cos t comienza con velocidad cero.

  2. Segunda

    u₂=sen x(cos t+sen t) comienza con velocidad sen x.

  3. En el inicio

    Las dos valen sen x, pero sus derivadas temporales difieren.

Resultado

Los dos datos temporales son necesarios.

Lo comprobamos

Ambas cumplen uₜₜ=uₓₓ: no es la ecuación la que elimina esa libertad inicial.

Calcular la velocidad de propagación con unidades

Tensión 36 N y densidad lineal 4 kg/m.

  1. Cociente

    c²=36/4=9 m²/s².
  2. Raíz positiva

    c=3 m/s.
  3. Recorrido

    Una marca reconocible de un perfil viajero avanza 6 m en 2 s.

Resultado

c=3 m/s.

Lo comprobamos

Es velocidad de propagación del perfil; la velocidad transversal de un punto de la cuerda es uₜ y puede ser distinta.

2. Dos familias características transportan dos perfiles

Ponemos ξ=x−ct y η=x+ct.
La cadena da ∂ₜ=−c∂ξ+c∂η y ∂ₓ=∂ξ+∂η.
Al desarrollar los cuadrados, uₜₜ−c²uₓₓ=−4c²uξη.
En un dominio de coordenadas apropiado, integrar uξη=0 da u=F(ξ)+G(η).

F viaja hacia la derecha y G hacia la izquierda. Su suma puede crear una onda estacionaria: los puntos oscilan mientras algunos nodos quedan quietos. La solución no tiene por qué ser una sola figura trasladada.

Reconocer la dirección de cada parte

c=2,u=e^(−(x−2t)²)+2e^(−(x+2t)²).

  1. Primera cresta

    x−2t=0 da x=2t.
  2. Segunda

    x+2t=0 da x=−2t.
  3. Alturas propias

    Las dos contribuciones tienen alturas 1 y 2; al solaparse se suman.

Resultado

Un perfil viaja a cada lado con la misma rapidez 2.

Lo comprobamos

La altura de la suma durante un solapamiento no debe confundirse con la de cada contribución.

Dos viajeros forman una oscilación quieta

c=1, [sen(x−t)+sen(x+t)]/2.

  1. Identidad

    sen(a−b)+sen(a+b)=2sen a cos b.
  2. Simplificar

    u=sen x cos t.
  3. Nodos

    Los puntos x=kπ siempre tienen u=0.
Resultado

Es una onda estacionaria formada por dos viajeros.

Lo comprobamos

El máximo de una contribución se mueve, pero los nodos de la suma permanecen en el mismo sitio.

3. Los dos datos determinan la fórmula de d’Alembert

En t=0, F+G=f y −cF′+cG′=g.
Derivamos la primera: F′+G′=f′.
Sumando y restando se obtiene F′=(f′−g/c)/2 y G′=(f′+g/c)/2.

Integrar y sumar sus valores en x−ct y x+ct produce la fórmula.

El dato de desplazamiento en reposo genera dos pulsos viajeros
Un pulso en reposo se divide en dost=0t=1,5c=1 ; velocidad inicial ceroDos copias de media altura.
Pulso suave de soporte entre menos uno y uno a tiempo cero y sus dos copias a tiempo uno y medio, con velocidad c uno y velocidad inicial cero. Cada copia tiene media altura y centros menos uno y medio y uno y medio. Las dos filas usan la misma escala. El dato exacto es la función suave exp de uno menos uno entre uno menos x cuadrado en el soporte y cero fuera.
En toda la recta: u=[f(x−ct)+f(x+ct)]/2+(1/(2c))∫ de x−ct a x+ct de g(s)ds.

La primera parte reparte el desplazamiento; la segunda acumula el efecto de la velocidad inicial. Las constantes de F y G se compensan en su suma.

Un pulso inicialmente en reposo

g=0 y f es una función suave de soporte [−1,1].

  1. Anular el término de velocidad

    La integral es cero.

  2. Repartir

    u=[f(x−ct)+f(x+ct)]/2.
  3. Separarse

    Cuando ct>1, los dos soportes ya no se solapan: cada copia tiene media altura.

Resultado

El pulso se divide en dos copias viajeras.

Lo comprobamos

El dibujo usa c=1 y un pulso suave concreto, sin esquinas que exijan cambiar a soluciones débiles.

Hacer la integral de un dato no constante

c=2,f=0,g(s)=6s en toda la recta.

  1. Escribir

    u=(1/4)∫ de x−2t a x+2t de 6s ds.
  2. Primitiva

    Es 3s²; la diferencia de cuadrados es 8xt.

  3. Multiplicar

    u=(1/4)·24xt=6xt.
Resultado

u=6xt.

Lo comprobamos

uₜ(x,0)=6x y uₜₜ=uₓₓ=0. Es clásica, aunque no tiene energía total finita en toda la recta.

4. Verificar la velocidad evita perder la mitad del problema

En t=0, los dos valores de f suman f(x) y la integral desaparece por tener extremos iguales. Para derivar la integral usamos Leibniz: su contribución a uₜ es [g(x+ct)+g(x−ct)]/2.

Los términos de f aportan c[f′(x+ct)−f′(x−ct)]/2, que se anulan en cero.

Por tanto uₜ(x,0)=g(x).

La fórmula puede verificarse además en la EDP derivando bajo las hipótesis indicadas; no basta comprobar solo el desplazamiento.

Un desplazamiento cúbico en reposo

c=2,f=x³,g=0.

  1. Promediar

    u=[(x−2t)³+(x+2t)³]/2.
  2. Desarrollar

    Los términos impares en t se cancelan: u=x³+12xt².
  3. Verificar

    uₜ=24xt, uₜₜ=24x y 4uₓₓ=4·6x=24x.
Resultado

u=x³+12xt² y su velocidad inicial es cero.

Lo comprobamos

El perfil no está simplemente trasladado: se suman dos viajes.

Detectar una solución incompleta

f=0,g(x)=3cos x,c=1; se propone u=0.

  1. Desplazamiento

    u(x,0)=0 sí se cumple.
  2. Velocidad

    La propuesta da uₜ=0, diferente de 3cos x.
  3. Corregir

    La integral de coseno da u=3cos x sen t.
Resultado

La propuesta falla; la solución correcta es 3cos x sen t.

Lo comprobamos

uₜ=3cos x cos t y en cero recupera exactamente la velocidad solicitada.

5. El cono hacia atrás indica qué datos pueden influir

En (x,t), t≥0, d’Alembert usa f en los extremos x−ct y x+ct y g dentro de todo el intervalo entre ellos. Si dos datos completos coinciden en ese intervalo, producen el mismo valor en el punto. Fuera del cono no hay influencia sobre ese punto en este modelo.

El cono hacia atrás termina en un intervalo finito del dato inicial
¿Qué datos pueden influir aquí?(1;1)−13datos inicialesc=2 : [x−ct,x+ct]=[−1,3]
Punto final x uno tiempo uno y velocidad dos, con características que retroceden hasta menos uno y tres en tiempo cero. La fórmula de d Alembert solo usa el desplazamiento en esos extremos y la velocidad inicial dentro de ese intervalo. No utiliza datos de posiciones exteriores para ese punto.

Si f y g están soportados en [a,b], la solución está contenida en [a−ct,b+ct]. Dentro de ese intervalo puede haber valores cero; la cota no dice que todo él esté ocupado. En una dimensión el término de velocidad puede dejar desplazamiento detrás de los frentes.

Leer el intervalo del dibujo

c=2 y punto (x,t)=(1,1).

  1. Extremo izquierdo

    x−ct=1−2=−1.
  2. Derecho

    x+ct=1+2=3.
  3. Información

    f entra en −1 y 3; g se integra en [−1,3].

Resultado

El punto solo depende de datos en [−1,3].

Lo comprobamos

Modificar datos que están completamente fuera de ese intervalo no cambia ese valor.

No toda perturbación queda solo en dos frentes

f=0 y g suave, no negativa, soportada en [−1,1], con integral M>0.

  1. En el centro

    u(0,t)=(1/(2c))∫ de −ct a ct de g.
  2. Tras pasar los extremos

    Si ct≥1, el intervalo contiene todo el soporte.
  3. Valor

    u(0,t)=M/(2c), que puede seguir siendo no nulo.
Resultado

La velocidad inicial puede dejar una meseta de desplazamiento.

Lo comprobamos

La velocidad y deformación pueden ser cero en esa zona, aunque su desplazamiento no lo sea.

6. Los extremos reflejan: fijo invierte y libre conserva el signo

Si los datos solo se conocen en (0,L), algunas características alcanzarán un borde antes de t=0. Hay que dar condiciones allí. Para extremos fijos u=0 se prolongan los datos de manera impar y 2L-periódica; para extremos libres uₓ=0 se usa prolongación par.

La simetría impar hace que las dos contribuciones se cancelen en el extremo fijo. La par hace que se cancelen sus derivadas espaciales. Compatibilidades como f(0)=f(L)=0 y, para regularidad temporal hasta la esquina, g(0)=g(L)=0 importan en el caso fijo.

Comprobar la inversión sin una regla memorizada

Semirrecta x>0,c=1; pulso H y u=H(x+t)−H(t−x).

  1. Cada pieza

    La primera viaja a la izquierda y la segunda a la derecha.

  2. Borde

    En x=0: H(t)−H(t)=0.
  3. Signo reflejado

    La contribución que vuelve lleva el signo menos.

Resultado

La forma satisface un extremo fijo en cero.

Lo comprobamos

Su perfil y velocidad iniciales se deducen de esta fórmula; no se supone otro dato inicial no mencionado.

El extremo libre conserva el signo

u=H(x+t)+H(t−x), con H suave.

  1. Derivar en x

    uₓ=H′(x+t)−H′(t−x).
  2. Borde

    En cero las dos derivadas se cancelan.

  3. Signo

    Las dos contribuciones de desplazamiento se suman con signo positivo.

Resultado

uₓ(0,t)=0: reflexión de extremo libre.

Lo comprobamos

Cambiar la condición de frontera cambió la simetría y el signo del pulso reflejado.

7. Cada modo espacial oscila con una frecuencia fijada por la longitud

Para una cuerda fija de longitud L, Xₙ=sen(nπx/L), λₙ=(nπ/L)².

Sustituir XₙTₙ da Tₙ″+c²λₙTₙ=0.
Así Tₙ=fₙcos(ωₙt)+(gₙ/ωₙ)sen(ωₙt), con ωₙ=cnπ/L.

fₙ y gₙ son coeficientes del desplazamiento y de la velocidad en esa misma base. Dividir por ωₙ es necesario porque derivar el seno temporal vuelve a multiplicar por ωₙ. Para datos generales se justifica la suma en la clase de solución elegida; ondas no amortigua por sí misma las frecuencias altas.

Ajustar dos amplitudes de un mismo modo

L=π,c=3,f=2sen(2x),g=4sen(2x).

  1. Frecuencia

    ω₂=3·2=6.
  2. Coeficiente de coseno

    Debe valer 2 para recuperar f.

  3. Coeficiente de seno

    B·6=4, luego B=2/3.
Resultado

u=sen(2x)[2cos(6t)+(2/3)sen(6t)].

Lo comprobamos

Al derivar en t y poner cero queda 4sen(2x), no 24sen(2x).

Distinguir frecuencia angular de ciclos por segundo

L=2 m,c=2 m/s,primer modo.

  1. Angular

    ω₁=cπ/L=π rad/s.
  2. Periodo

    T=2π/ω₁=2 s.
  3. Frecuencia ordinaria

    ν=1/T=0,5 Hz.
Resultado

Un ciclo completo dura dos segundos.

Lo comprobamos

No se confunden π rad/s con π ciclos/s; se relacionan mediante el factor 2π.

8. La energía combina movimiento y deformación

Para una solución regular, E=(1/2)∫[uₜ²+c²uₓ²].

Al derivar, sustituir uₜₜ=c²uₓₓ e integrar por partes, los términos interiores se cancelan y E′=c²[uₜuₓ] en los extremos.

Con borde fijo, uₜ=0 allí; con borde libre, uₓ=0. Así E se conserva. En toda la recta se necesita energía finita y control del flujo lejano; no toda solución clásica tiene esa propiedad. La energía puede salir de un subintervalo aunque se conserve en el sistema completo.

La energía cambia de forma, pero su suma no cambia

u=sen(2x)cos(6t),c=3,en [0,π].

  1. Parte cinética

    (1/2)∫uₜ²=9πsen²(6t).
  2. Deformación

    (1/2)∫9uₓ²=9πcos²(6t).
  3. Sumar

    E=9π[sen²+cos²]=9π.
Resultado

La energía total es constante.

Lo comprobamos

Cuando una parte llega a cero, la otra almacena toda la energía del modo.

Una solución clásica puede tener energía total infinita

u=2t en toda la recta.

  1. Derivadas

    uₜ=2 y uₓ=0.
  2. Densidad de energía

    (1/2)(4+0)=2 en cada lugar.
  3. Integral

    Integrar la constante 2 sobre toda la recta da infinito.

Resultado

No entra en el teorema de energía total finita.

Lo comprobamos

Sigue cumpliendo la ecuación clásica. La clase de soluciones y las hipótesis del resultado son preguntas diferentes.

9. La identidad de energía también mide estabilidad y amortiguamiento

Si restamos dos soluciones con los mismos bordes homogéneos, la diferencia satisface la misma ecuación. Su energía se conserva. Con ambos datos iniciales iguales, la energía de la diferencia es cero: wₜ=wₓ=0, y el dato inicial fija la constante en cero. Esto demuestra unicidad en esa clase regular.

Con amortiguamiento uₜₜ+d uₜ=c²uₓₓ, d>0, aparece E′=−d∫uₜ² más el borde.

La propagación de velocidad finita y las identidades aquí desarrolladas corresponden al modelo unidimensional indicado; no se trasladan todas sus fórmulas a otra dimensión o a coeficientes distintos.

Un pequeño error conserva una cota de energía

Dos cuerdas fijas tienen diferencia inicial εsen x y diferencia de velocidad cero, c=1,L=π.

  1. Diferencia

    w=εsen x cos t.
  2. Energía

    Ew=ε²π/4 para todo t.
  3. Interpretar

    La norma conjunta de velocidad y pendiente permanece proporcional a |ε|.

Resultado

El error es estable en esta medida de energía.

Lo comprobamos

No afirmamos que cada valor puntual del error sea constante: oscila durante el movimiento.

Comprobar el término disipativo en un modo

u=sen x T(t),c=1,L=π,con T″+dT′+T=0.

  1. Energía del modo

    E=(π/4)(T′²+T²).
  2. Derivar

    E′=(π/2)T′(T″+T).
  3. Usar la EDO

    E′=−(dπ/2)T′²≤0.
Resultado

El amortiguamiento elimina energía cuando hay movimiento.

Lo comprobamos

La pérdida coincide con −d∫uₜ², porque la integral de sen²x entre 0 y π es π/2.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una onda estacionaria

Resuelve uₜₜ=uₓₓ en (0,π), con extremos fijos u(0,t)=u(π,t)=0, desplazamiento inicial u(x,0)=sin x y velocidad inicial uₜ(x,0)=0.

  1. Problema completo

    c=1, extremos fijos en cero y π, f=sen x y g=0.
  2. Modo espacial

    X=sen x cumple X″=−X y los dos extremos.
  3. Separar

    u=X T lleva a T″+T=0.
  4. Desplazamiento

    T=Acos t+Bsen t y T(0)=1 fijan A=1.
  5. Velocidad

    T′(0)=B=0.
  6. Verificar

    u=sen x cos t cumple uₜₜ=uₓₓ, ambos datos y la frontera fija.

Resultado

u=sin x cos t.

Lo comprobamos

La expresión satisface ecuación, los dos datos iniciales y la frontera fija homogénea. La identidad de energía aplicada a la diferencia de soluciones demuestra unicidad en la clase regular correspondiente.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dato de velocidad constante

En R, f=0 y g=2. Resuelve con c=1.

  1. Dominio

    Los datos están en toda la recta y c=1; usamos d’Alembert sin bordes.

  2. Desplazamiento

    f=0 elimina los dos términos iniciales.
  3. Integral

    Queda u=(1/2)∫ de x−t a x+t de 2 ds.
  4. Longitud

    Para t≥0, el intervalo mide 2t y la integral vale 4t.
  5. Factor

    u=2t.
  6. Comprobar

    u(x,0)=0,uₜ=2 y uₜₜ=uₓₓ=0.

    Es clásica, con energía total infinita sobre toda la recta.

Resultado

u=2t.

Lo comprobamos

El perfil se desplaza uniformemente en la dirección de u, sin deformación espacial. La solución clásica existe, aunque su energía total sobre R no sea finita.

Los símbolos que hemos usado

u_tt=c²u_xx
Ecuación de ondas unidimensional con velocidad constante c>0.
f(x),g(x)
Desplazamiento inicial u(x,0) y velocidad inicial u_t(x,0).
x−ct, x+ct
Coordenadas que permanecen constantes en las dos familias de características.
ω_n=cnπ/L
Frecuencia angular del modo n de una cuerda fija de longitud L.
E(t)
Energía normalizada (1/2)∫(u_t²+c²u_x²)dx cuando la integral es finita.
Borde de entrada
Lugar por donde una característica que retrocede desde el punto estudiado alcanza una frontera espacial antes que el dato inicial.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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