Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
Hogar » La ecuación de onda (física)

La ecuación de onda (física)

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

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Una hiperbólica lineal de segundo orden diferencial parcial ecuación que rige la propagación de varios tipos de ondas. En su forma más simple, se escribe como [latex]frac{partial^2 u}{partial t^2} = c^2 nabla^2 u[/latex], donde [latex]u(vec{x},t)[/latex] es la amplitud de la onda, [latex]c[/latex] es la velocidad de la onda y [latex]nabla^2[/latex] es la Laplace Operador. Modela fenómenos como cuerdas vibrantes, ondas sonoras y ondas luminosas.

La ecuación de onda es la ecuación diferencial parcial hiperbólica arquetípica. A diferencia de la ecuación del calorEs de segundo orden en el tiempo, lo que da lugar a sus soluciones oscilatorias y ondulatorias. La presencia del término [latex]frac{partial^2 u}{partial t^2}[/latex] implica que la aceleración es proporcional a la curvatura local de la función, una relación característica de las fuerzas restauradoras como la tensión en una cuerda. La constante [latex]c[/latex] representa la velocidad finita a la que las perturbaciones se propagan a través del medio.

Una característica crucial de la ecuación de onda es el principio de causalidad y la velocidad de propagación finita. Una perturbación en un punto [latex]vec{x}_0[/latex] en el instante [latex]t_0[/latex] solo puede afectar a puntos [latex]vec{x}[/latex] en un instante posterior [latex]t[/latex] que se encuentren dentro de una distancia de [latex]c(t-t_0)[/latex]. Esta región se conoce como el "cono de influencia". Por el contrario, el valor de la solución en [latex](vec{x}, t)[/latex] depende únicamente de los datos iniciales dentro de su "dominio de dependencia". Esto contrasta marcadamente con la velocidad de propagación infinita de la ecuación del calor.

En una dimensión espacial, la ecuación [latex]u_{tt} = c^2 u_{xx}[/latex] tiene una solución general notablemente simple, descubierta por d'Alembert: [latex]u(x,t) = F(x-ct) + G(x+ct)[/latex]. Esto representa la superposición de dos ondas que viajan en direcciones opuestas con velocidad [latex]c[/latex]. Las formas de estas ondas, determinadas por las funciones [latex]F[/latex] y [latex]G[/latex], se conservan a medida que se propagan.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Física matemática

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Leyes del movimiento de Newton
  • Ley de Hooke para fuerzas elásticas
  • desarrollo del cálculo y las derivadas parciales
  • Estudios de cuerdas vibrantes por Brook Taylor y Johann bernoulli

Aplicaciones

  • ingeniería acústica y de audio
  • electromagnetismo (propagación de ondas de luz y radio)
  • sismología para modelar terremotos
  • dinámica de fluidos para ondas superficiales
  • relatividad general para ondas gravitacionales

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Sistemas de cancelación activa de ruido para oficinas de planta abierta que utilizan interferencia de ondas predictivas
  • Terapias médicas no invasivas que utilizan ultrasonidos enfocados para destruir tumores
  • Tecnologías de camuflaje basadas en metamateriales que curvan las ondas de luz alrededor de un objeto.
  • Imágenes sísmicas de próxima generación para la exploración de recursos
  • haptic feedback technology that simulates textures using surface acústico waves
  • Sistemas de comunicación submarina mediante ondas acústicas moduladas
  • Tecnología de comunicación inalámbrica de alta velocidad LiFi (fidelidad de luz)
  • Modelado predictivo de las erupciones solares y su impacto electromagnético en la Tierra
Relacionado con: ecuación de onda, EDP hiperbólica, fórmula de D'Alembert, propagación de ondas, acústica, electromagnetismo, velocidad de la luz, física matemática.

Contexto histórico

La ecuación de onda (física)

150
1640
1650
1747
1758
1777
1799
-550
1635
1650
1736
1750
1763-12-23
1780
1805

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

Las imágenes en tamaño completo y las descargas solo están disponibles, de forma totalmente gratuita, para los miembros registrados.

> Acceso <