Enunciado

Verifique através de substituição direta que a função de onda para uma onda estacionária dada na Equação 14.2,

y = 2 A   s e n   k x c o s   ω t

é uma solução da equação geral de onda linear, Equação 13.20:

∂ 2 y ∂ x 2 = 1 v 2   ∂ 2 y ∂ t 2

Passo 1

Alô Alô, belezinha, encosta comigo que essa ta fácil...

Simborá moçadinhaaa

Precisamos mostrar que a equação y = 2 A   s e n   k x c o s   ω t é solução da expressão seguinte :

Equação geral de onda :

∂ 2 y ∂ x 2 = 1 v 2   ∂ 2 y ∂ t 2                       ( 1 )

Para isso, iremos precisar fazer a derivada da segunda ordem da equação y = 2 A   s e n   k x c o s   ω t   em relação a x e em relação a t ,

A derivada em relação à x será:

∂ y ∂ x = 2 A k cos ⁡ ω t c o s k x

∂ 2 y ∂ x 2 = - 2 A k 2 cos ⁡ ω t s e n k x           ( 2 )

A derivada em relação à t será:

∂ y ∂ x = 2 A ω sen ⁡ k x s e n ω t

∂ 2 y ∂ x 2 = - 2 A ω 2 sen ⁡ k x c o s ω t           ( 3 )

Passo 2

Agora que já temos as derivadas podemos substituir as equações (2) e (3) na equação (1) e assim teremos que:

- 2 A k 2 cos ⁡ ω t s e n k x = - 2 A ω 2 sen ⁡ k x c o s ω t

Logo, resulta

k 2 = ω 2

Vale ressaltar que

k = 2 π λ     e   q u e   ω = 2 π f

Assim, nós temos que:

2 π λ 2 = 2 π f

Logo:

4 π 2 = 4 π 2 v 2

Uma vez que v = λ f

Então, partindo da igualdade anterior, fica claro que y = 2 A   s e n   k x cos ⁡ ω t é uma solução da expressão (1).

Resposta

Vide a explicação.

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