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Enunciado

Cálculo - Boyce - Equações Diferenciais - Ed: 10º - Capítulo 10.7 - Ex. 4

Considere uma corda elástica de comprimento L cujas extremidades são mantidas fixas. A corda é colocada em movimento, sem velocidade inicial, de uma posição inicial u ( x , 0 ) = f ( x ) . Faça os passos descritos a seguir. Considere L = 10 ,   a = 1 nos itens de (b) a (d).

  1. Encontre o deslocamento u(x, t) para a posição inicial f(x) dada.
  2. Faça o gráfico de u(x, t) em função de x para 0 ≤ x ≤ 10 e para diversos valores de t entre t = 0   e   t = 20
  3. Faça o gráfico de u(x, t) em função de t para 0 ≤ t ≤ 20 e para diversos valores de x.
  4. Construa uma animação da solução no tempo durante pelo menos um período.
  5. Descreva o movimento da corda em poucas frases.

f ( x ) = 1 ,   L 2 - 1 < x < L 2 + 1   ( L > 2 )

f ( x ) = 0 ,   c a s o   c o n t r á r i o

Passo 1

Letra a:

Temos a seguinte equação:

u ( x , t ) = ∑ n = 1 ∞ c n s i n n π x L c o s n π a t L

Daí, queremos achar o c n :

c n = 2 L ∫ 0 L f ( x ) s i n n π x L d x

Resolvendo, chegamos em:

c n = 4 s i n ( n π 2 ) s i n ( n π L ) n π

Colocando na fórmula, chegamos em:

u ( x , t ) = 4 π ∑ n = 1 ∞ s i n ( n π 2 ) s i n ( n π 2 ) n s i n n π x L c o s n π a t L

Passo 2

Na letra b:

Para L = 10   e   a = 1 , temos u ( x , t ) = 4 π ∑ n = 1 ∞ s i n ( n π 2 ) s i n ( n π 2 ) n s i n n π x 10 c o s n π t 10

Segue o gráfico de u ( x , t ) por x para vários valores de t:

Passo 3

Letra c:

E agora, segue o gráfico de u ( x , t ) por t para vários valores de x :

Passo 4

Letra d:

Para a animação, utilizar algum programa para gráficos animados.

Passo 5

Letra e:

A onda é bastante diferente dos exemplos anteriores. As ondas são quadradas e primeiro elas passam em cima da linha numérica e depois abaixo.

Resposta

  1. u ( x , t ) = 4 π ∑ n = 1 ∞ s i n ( n π 2 ) s i n ( n π 2 ) n s i n n π x L c o s n π a t L
  4. Para a animação, utilizar algum programa para gráficos animados.
  5. A onda é bastante diferente dos exemplos anteriores. As ondas são quadradas e primeiro elas passam em cima da linha numérica e depois abaixo.
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