Diferansiyel Denklemler · 8. Ünite: Kısmi Diferansiyel Denklemler ve Fourier Serileri

Dalga Denklemi

Gitar teline vurduğunuzda ses duyarsınız, çünkü tel yalnızca "aşağı yukarı gitmez": üzerinde dalgalar koşar, uçlardan yansır ve üst üste binerek belirli frekanslarda duran biçimler oluşturur. Bu davranışın matematiği $u_{tt} = c^2 u_{xx}$ dalga denklemidir. Konunun sonunda gergin bir telin denklemini küçük açı yaklaşımıyla türetebilecek, sabit uçlu tel için ayırma yöntemiyle Fourier çözümünü kurabilecek, aynı çözümü d'Alembert formülüyle ileri ve geri giden dalgalar olarak yorumlayabilecek ve telin nereden çekildiğinin hangi harmoniklerin duyulduğunu nasıl belirlediğini hesaplayabileceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Tel Neden Belirli Notaları Çalar?

  2. Titreşen Telin Denklemi: Küçük Açı Türetmesi

  3. Sabit Uçlu Tel: Ayırma Yöntemi

  4. Frekanslar, Harmonikler ve Düğüm Noktaları

  5. Çekme Noktası Hangi Harmonikleri Belirler?

  6. d'Alembert Çözümü: İleri ve Geri Giden Dalgalar

  7. Enerji Korunumu ve Isı Denklemiyle Karşılaştırma

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sınır Durumları ve Dikkat Edilecekler

  10. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  11. Özet ve Simülasyonda Deneyecekleriniz

Anahtar terimler

Dalga denklemi (wave equation)
$u_{tt} = c^2 u_{xx}$; küçük genlikli enine titreşimlerin ve dalga yayılımının ikinci mertebeden kısmi diferansiyel denklemi.
Dalga hızı $c$
Gergin telde $c = \sqrt{T/\mu}$; yalnızca gerilme ve çizgisel yoğunluğa bağlıdır, genliğe bağlı değildir.
Dirichlet sınır koşulu
Uçlarda $u = 0$; sabit uçlu tel. Özfonksiyonlar $\sin(n\pi x/L)$'dir.
Kip / harmonik (mode, harmonic)
$n$. kip $\sin(n\pi x/L)$ biçimli duran dalgadır; frekansı $f_n = nf_1$.
Temel frekans
$f_1 = c/2L$; en düşük kipin frekansı, tel titreşiminin periyodu $T_1 = 2L/c$.
Düğüm noktası (node)
Bir kipin her zaman sıfır olduğu $x = kL/n$ noktaları; uçlar dışında $n - 1$ tane.
Duran dalga (standing wave)
Şekli sabit, genliği zamanla salınan çözüm; zıt yönlerde giden iki eşit dalganın toplamıdır.
d'Alembert çözümü
Sonsuz tel için $u = \tfrac12[f(x-ct) + f(x+ct)] + \tfrac{1}{2c}\int_{x-ct}^{x+ct} g$; ileri ve geri giden dalgalar.
Tek genişleme (odd extension)
$f$ ve $g$'nin $[-L,L]$'ye tek ve $2L$-periyodik taşınması; sabit uçlarda yansımayı ters çevirerek sağlar.
Enerji korunumu
$E = \tfrac12\int(\mu u_t^2 + T u_x^2)\,dx$ zamanla değişmez; her kipin enerjisi ayrı ayrı sabittir.

Örnek soru

Uçları sabit, uzunluğu $L = 0{,}4\,\text{m}$, gerilmesi $T = 100\,\text{N}$ ve çizgisel yoğunluğu $\mu = 4\,\text{g/m}$ olan telin temel frekansı yaklaşık kaç Hz'dir?

  1. 6,25
  2. 98,8
  3. 198
  4. 395
  5. 31 250

Doğru cevap: C

Çözüm

1. $\mu = 4\times10^{-3}\,\text{kg/m}$ olarak SI'ya çevrilir.
2. $c = \sqrt{T/\mu} = \sqrt{100/0{,}004} = \sqrt{25000} \approx 158\,\text{m/s}$.
3. $f_1 = \dfrac{c}{2L} = \dfrac{158}{0{,}8} \approx$ 198 Hz.
Diğer şıklar: 395 Hz, paydadaki $2$ çarpanı unutularak ($c/L$) bulunur; 98,8 Hz $c/4L$ ile (bir ucu açık boru formülü) elde edilir; 6,25 Hz için $\mu$ gram cinsinden bırakılmış ($\sqrt{100/4} = 5$, $5/0{,}8$); 31 250 Hz kök alınmadan $T/\mu = 25000$ ile $25000/0{,}8$ hesaplanmış olur.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular