بيت » The Wave Equation (physics)

The Wave Equation (physics)

1747
  • Jean le Rond d’Alembert

A second-order linear hyperbolic partial differential equation that governs the propagation of various types of waves. In its simplest form, it is written as [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u[/latex], where [latex]u(\vec{x},t)[/latex] is the amplitude of the wave, [latex]c[/latex] is the wave speed, and [latex]\nabla^2[/latex] is the Laplace operator. It models phenomena like vibrating strings, sound waves, and light waves.

The wave equation is the archetypal hyperbolic PDE. Unlike the heat equation, it is second-order in time, which gives rise to its oscillatory, wave-like solutions. The presence of the [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}[/latex] term implies that acceleration is proportional to the local curvature of the function, a relationship characteristic of restorative forces like tension in a string. The constant [latex]c[/latex] represents the finite speed at which disturbances propagate through the medium.

A crucial feature of the wave equation is the principle of causality and finite propagation speed. A disturbance at a point [latex]\vec{x}_0[/latex] at time [latex]t_0[/latex] can only affect points [latex]\vec{x}[/latex] at a later time [latex]t[/latex] that are within a distance of [latex]c(t-t_0)[/latex]. This region is known as the ‘cone of influence’. Conversely, the value of the solution at [latex](\vec{x}, t)[/latex] depends only on the initial data within its ‘domain of dependence’. This contrasts sharply with the infinite propagation speed of the heat equation.

In one spatial dimension, the equation [latex]u_{tt} = c^2 u_{xx}[/latex] has a remarkably simple general solution, discovered by d’Alembert: [latex]u(x,t) = F(x-ct) + G(x+ct)[/latex]. This represents the superposition of two waves traveling in opposite directions with speed [latex]c[/latex]. The shapes of these waves, determined by the functions [latex]F[/latex] and [latex]G[/latex], are preserved as they propagate.

UNESCO Nomenclature: 1208
– Mathematical physics

النوع

Abstract System

Disruption

Foundational

الاستخدام

Widespread Use

Precursors

  • newton’s laws of motion
  • hooke’s law for elastic forces
  • development of calculus and partial derivatives
  • studies of vibrating strings by brook taylor and johann bernoulli

التطبيقات

  • acoustics and audio engineering
  • electromagnetism (propagation of light and radio waves)
  • seismology for modeling earthquakes
  • fluid dynamics for surface waves
  • general relativity for gravitational waves

براءات الاختراع:

NA

Potential Innovations Ideas

!!مستويات !!! العضوية مطلوبة

يجب أن تكون عضوًا !!! مستويات!!! للوصول إلى هذا المحتوى.

انضم الآن

هل أنت عضو بالفعل؟ سجّل الدخول هنا
Related to: wave equation, hyperbolic pde, d’alembert’s formula, wave propagation, acoustics, electromagnetism, speed of light, mathematical physics

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

متاح للتحديات الجديدة
مهندس ميكانيكي، مدير مشروع أو بحث وتطوير
تطوير المنتج الفعال

متاح لتحدي جديد في غضون مهلة قصيرة.
تواصل معي على LinkedIn
تكامل الإلكترونيات المعدنية والبلاستيكية، التصميم حسب التكلفة، ممارسات التصنيع الجيدة (GMP)، بيئة العمل، الأجهزة والمواد الاستهلاكية متوسطة إلى عالية الحجم، الصناعات الخاضعة للتنظيم، شهادات CE وFDA، التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، Solidworks، الحزام الأسود Lean Sigma، شهادة ISO 13485 الطبية

نحن نبحث عن راعي جديد

 

هل شركتك أو مؤسستك متخصصة في التقنية أو العلوم أو الأبحاث؟
> أرسل لنا رسالة <

احصل على جميع المقالات الجديدة
مجاني، لا يوجد بريد عشوائي، ولا يتم توزيع البريد الإلكتروني ولا إعادة بيعه

أو يمكنك الحصول على عضويتك الكاملة -مجانًا- للوصول إلى جميع المحتويات المحظورة >هنا<

Historical Context

(if date is unknown or not relevant, e.g. "fluid mechanics", a rounded estimation of its notable emergence is provided)

Related Invention, Innovation & Technical Principles

Scroll to Top

قد يعجبك أيضاً