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Die Wellengleichung (Physik)

1747
  • Jean le Rond d’Alembert
Jean le Rond d'Alembert developing the wave equation in a historical office setting.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Ein lineares hyperbolisches System zweiter Ordnung partielles Differential Gleichung, die die Ausbreitung verschiedener Arten von Wellen regelt. In ihrer einfachsten Form lautet sie [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u[/latex], wobei [latex]u(\vec{x},t)[/latex] die Amplitude der Welle, [latex]c[/latex] die Wellengeschwindigkeit und [latex]\nabla^2[/latex] die Laplace Operator. Er modelliert Phänomene wie schwingende Saiten, Schallwellen und Lichtwellen.

Die Wellengleichung ist der Archetypus der hyperbolischen PDE. Anders als die Wärmegleichung, ist sie zeitlich von zweiter Ordnung, was zu ihren oszillierenden, wellenförmigen Lösungen führt. Das Vorhandensein des Terms [latex]\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}[/latex] impliziert, dass die Beschleunigung proportional zur lokalen Krümmung der Funktion ist, eine Beziehung, die für rückstellende Kräfte wie die Spannung in einer Saite charakteristisch ist. Die Konstante [latex]c[/latex] steht für die endliche Geschwindigkeit, mit der sich Störungen durch das Medium ausbreiten.

Ein entscheidendes Merkmal der Wellengleichung ist das Prinzip der Kausalität und der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit. Eine Störung an einem Punkt [latex]\vec{x}_0[/latex] zum Zeitpunkt [latex]t_0[/latex] kann sich nur auf Punkte [latex]\vec{x}[/latex] zu einem späteren Zeitpunkt [latex]t[/latex] auswirken, die sich innerhalb einer Entfernung von [latex]c(t-t_0)[/latex] befinden. Dieser Bereich wird als ‘Einflusskegel’ bezeichnet. Umgekehrt hängt der Wert der Lösung bei [latex](\vec{x}, t)[/latex] nur von den Anfangsdaten innerhalb seines ‘Abhängigkeitsbereichs’ ab. Dies steht in scharfem Kontrast zur unendlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmegleichung.

In einer räumlichen Dimension hat die Gleichung [latex]u_{tt} = c^2 u_{xx}[/latex] eine bemerkenswert einfache allgemeine Lösung, die von d'Alembert entdeckt wurde: [latex]u(x,t) = F(x-ct) + G(x+ct)[/latex]. Es handelt sich um die Überlagerung von zwei Wellen, die sich mit der Geschwindigkeit [latex]c[/latex] in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Formen dieser Wellen, die durch die Funktionen [latex]F[/latex] und [latex]G[/latex] bestimmt werden, bleiben bei ihrer Ausbreitung erhalten.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Mathematische Physik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Newtons Gesetze der Bewegung
  • Hookesches Gesetz für elastische Kräfte
  • Entwicklung der Analysis und partiellen Ableitungen
  • studien über schwingende saiten von brook taylor und johann bernoulli

Anwendungen

  • Akustik und Tontechnik
  • Elektromagnetismus (Ausbreitung von Licht- und Radiowellen)
  • Seismologie zur Modellierung von Erdbeben
  • Fluiddynamik für Oberflächenwellen
  • Allgemeine Relativitätstheorie für Gravitationswellen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • aktive Geräuschunterdrückungssysteme für Großraumbüros mit prädiktiver Welleninterferenz
  • nicht-invasive medizinische Therapien mit fokussiertem Ultraschall zur Zerstörung von Tumoren
  • Tarntechnologien basierend auf Metamaterialien, die Lichtwellen um ein Objekt herum biegen
  • Seismische Bildgebung der nächsten Generation zur Ressourcenexploration
  • haptic feedback technology that simulates textures using surface Akustik waves
  • Unterwasserkommunikationssysteme mit modulierten akustischen Wellen
  • LiFi (Light Fidelity) Hochgeschwindigkeits-Funkkommunikationstechnologie
  • prädiktive Modellierung von Sonneneruptionen und ihren elektromagnetischen Auswirkungen auf die Erde
Verwandte Themen: Wellengleichung, hyperbolische pde, d'alembertsche Formel, Wellenausbreitung, Akustik, Elektromagnetismus, Lichtgeschwindigkeit, mathematische Physik.

Historischer Kontext

Die Wellengleichung (Physik)

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1640
1650
1747
1758
1777
1799
-550
1635
1650
1736
1750
1763-12-23
1780
1805

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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