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波動方程式(物理学)

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

(画像はイメージです)

2次線形双曲 偏微分 様々な種類の波の伝播を支配する方程式。最も単純な形では、[latex]frac{partial^2 u}{partial t^2} = c^2 nabla^2 u[/latex] と書かれ、ここで [latex]u(vec{x},t)[/latex] は波の振幅、[latex]c[/latex] は波の速度、[latex]nabla^2[/latex] は波の振幅である。 ラプラス 演算子。弦の振動、音波、光波などの現象をモデル化する。

波動方程式は典型的な双曲型偏微分方程式である。 熱方程式これは時間に関して2次であり、振動的で波動的な解を生み出します。[latex]frac{partial^2 u}{partial t^2}[/latex] 項の存在は、加速度が関数の局所的な曲率に比例することを意味し、これは弦の張力のような復元力に特徴的な関係です。定数 [latex]c[/latex] は、擾乱が媒体を伝播する有限の速度を表します。

波動方程式の重要な特徴は、因果律と有限の伝播速度の原理です。時刻 t_0 における点 [latex]vec{x}_0[/latex] での擾乱は、時刻 t において距離 c(t-t_0)[/latex] 以内にある点 [latex]vec{x}[/latex] にのみ影響を与えます。この領域は「影響の円錐」として知られています。逆に、点 [latex](vec{x}, t)[/latex] における解の値は、「依存領域」内の初期データのみに依存します。これは、熱方程式の無限の伝播速度とは大きく異なります。

1次元空間では、方程式 [latex]u_{tt} = c^2 u_{xx}[/latex] は、ダランベールによって発見された非常に単純な一般解 [latex]u(x,t) = F(x-ct) + G(x+ct)[/latex] を持ちます。これは、速度 [latex]c[/latex] で反対方向に伝わる 2 つの波の重ね合わせを表しています。これらの波の形状は、関数 [latex]F[/latex] と [latex]G[/latex] によって決定され、伝わるにつれて保存されます。

UNESCO Nomenclature: 1208
数理物理学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ニュートンの運動法則
  • 弾性力に関するフックの法則
  • 微積分と偏微分法の発展
  • ブルック・テイラーとヨハンによる振動弦の研究 ベルヌーイ

アプリケーション

  • 音響学およびオーディオエンジニアリング
  • 電磁気学(光と電波の伝播)
  • 地震モデリングのための地震学
  • 表面波の流体力学
  • 重力波に関する一般相対性理論

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • active noise cancellation systems for open-plan offices using predictive wave interference
  • non-invasive medical therapies using focused ultrasound to destroy tumors
  • cloaking technologies based on metamaterials that bend light waves around an object
  • next-generation seismic imaging for resource exploration
  • haptic feedback technology that simulates textures using surface 音響 waves
  • underwater communication systems using modulated acoustic waves
  • lifi (light fidelity) high-speed wireless communication technology
  • predictive modeling of solar flares and their electromagnetic impact on earth
関連分野:波動方程式、双曲型偏微分方程式、ダランベールの公式、波動伝播、音響学、電磁気学、光速、数理物理学。

歴史的背景

波動方程式(物理学)

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

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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