Enunciado

Deduza uma equacão para os modos principais de vibração longitudinal de uma barra uniforme com suas duas extremidades livres.

Passo 1

E aí, galerinha!

Bom! Bora lá!

Para vibração longitudinal de uma barra, temos a seguinte equação de movimento...

u x , t = A cos ⁡ ω x c + B sen ⁡ ω x c C cos ⁡ ω t + D sen ⁡ ω t

Derivando essa equação em relação à x ...

∂ u ( x , t ) ∂ x = ω c ( - A sen ⁡ ω x c + B cos ⁡ ω x c ) ( C cos ⁡ ω t + D sen ⁡ ω t )

Passo 2

Agora, vamos dar uma olhada nessa tabelinha das condições de contorno...

Uma vez que...

∂ u ( 0 , t ) ∂ x = 0

Então, podemos obter...

ω c - A sen ⁡ ω 0 c + B cos ⁡ ω 0 c C cos ⁡ ω t + D sen ⁡ ω t = 0

ω c B C cos ⁡ ω t + D sen ⁡ ω t = 0

A maior chance disso aí dar zero é...

B = 0

Agora, vamos pra outra condição de contorno...

∂ u ( l , t ) ∂ x = 0

ω c - A sen ⁡ ω l c C cos ⁡ ω t + D sen ⁡ ω t = 0

A maior chance disso aí dar zero é quando...

sen ⁡ ω l c = 0

E a gente sabe que o seno vale zero quando...

ω l c = n π

Isolando ω :

ω = n π c l

Obtemos a fórmula da frequência natural:

ω n = n π c l = n π l  

Uma vez que c para uma barra é dado por...

c = E ρ

Então, ficamos com:

ω n = n π l E ρ

Passo 3

Agora é o momento decisivo!

Sabemos que a fórmula da equação de movimento é dada por...

u x , t = ∑ n = 1 ∞ cos ⁡ n π x l C n cos ⁡ ω n t + D n sen ⁡ ω n t  

Logo, sabendo ω n :

u x , t = ∑ n = 1 ∞ cos ⁡ n π x l C n cos ⁡ n π c l t + D n sen ⁡ n π c l t

Onde...

C n = 2 l ∫ 0 l u 0 x cos ⁡ n π x l d x

D n = 2 n c π ∫ 0 l u ˙ 0 x cos ⁡ n π x l d x

Resposta

u x , t = ∑ n = 1 ∞ cos ⁡ n π x l C n cos ⁡ n π c l t + D n sen ⁡ n π c l t

C n = 2 l ∫ 0 l u 0 x cos ⁡ n π x l d x

D n = 2 n c π ∫ 0 l u ˙ 0 x cos ⁡ n π x l d x

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