Vibraciones de una cuerda en rotación

Supongamos una cuerda de densidad lineal μ, que está libre en un extremo y en el otro está atado a un eje vertical que gira con velocidad angular constante ω. Despreciando la gravedad vamos a determinar la ecuación de la propagación de las ondas transversales en la cuerda.

Ecuación diferencial del movimiento ondulatorio

Consideremos un elemento diferencial de cuerda situado entre x y x+dx, de masa μ·dx.

La parte izquierda de la cuerda, ejerce una fuerza T(x) sobre dicho elemento, la parte derecha de la cuerda ejerce una fuerza T(x+dx). Su aceleración es ω2x dirigida radialmente hacia el centro de la circunferenca que describe. La segunda ley de Newton se escribe

T(x)-T(x+dx)=(μ·dx)ω2x

-dT=μω2x·dx

Sabiendo que T(l)=0, integramos

x l dT =μ ω 2 x l x·dx T(x)= 1 2 μ ω 2 ( l 2 x 2 )

Consideremos una cuerda cuya tensión es T(x). En el equilibrio, la cuerda está en línea recta. Vamos a ver lo que ocurre cuando se desplaza verticamente, un elemento de longitud dx, situado en la posición x de la cuerda, una cantidad Ψ respecto de la posición de equilibrio.

Dibujamos las fuerzas que actúan sobre el elemento diferencial y calculamos la aceleración del mismo, aplicando la segunda ley de Newton.

Siempre que la amplitud del movimiento ondulatorio transversal sea pequeña, se puede hacer la aproximación sinα≈tanα

La fuerza vertical neta es el producto de la masa porla aceleración vertical

T ψ x | x+dx T ψ x | x =( μdx ) 2 ψ t 2 x ( T ψ x )dx=μ 2 ψ t 2 dx 1 2 ω 2 x ( ( l 2 x 2 ) ψ x )= 2 ψ t 2

Modos de vibración

Resolveremos esta ecuación diferencial en derivadas parciales con la siguiente condición de contorno: Ψ(0,t)=0. Un extremo de la cuerda está atado al eje vertical de rotación

Las condiciones iniciales

ψ(x,0)= ψ 0 (x) ψ(x,t) t | t=0 = ψ ˙ 0 (x)

Para resolver la ecuación diferencial dividimos la solución en producto de dos funciones una dependiente de x y la otra de t.

ψ(x,t)=Φ(x)·T(t) 2 ω 2 1 T(t) d 2 T d t 2 = 1 Φ(x) d dx ( ( l 2 x 2 ) dΦ dx )=λ { d 2 T d t 2 + 1 2 ω 2 λT(t)=0 d dx ( ( l 2 x 2 ) dΦ dx )+λΦ(x)=0

Hemos sustituimos una ecuación diferencial en derivadas parciales por dos ecuaciones diferenciales. La primera tiene una solución sencilla

T(t)=Acos( ω λ 2 t )+Bsin( ω λ 2 t )

Para la segunda, sustituimos x=lξ

d dξ ( (1 ξ 2 ) dΦ dξ )+λΦ=0 (1 ξ 2 ) d 2 Φ d ξ 2 2ξ dΦ dξ +λΦ=0

Esta es la ecuación diferencial de Legendre, con λ=n(n+1), donde n es un entero positivo. La solución de la ecuación diferencial son los polinomios de Legendre Pn(ξ) definidos en el intervalo [-1,1].

Los polinomios que cumplen Pn(0)=0, son aquellos en los que n es un número impar 1,3,5,..2m-1, donde m es un entero positivo. Estos polinomos son antisimétricos, Pn(ξ)=-Pn(-ξ), con n=2m-1

hold on
for m=1:3
    fplot(@(x) legendreP(2*m-1,x),[-1,1])
end
hold off
grid on
xlabel('x')
ylabel('P_{2m-1}(x)')
title('Polinomios de Legendre')

La solución de las ecuaciones diferenciales para el modo m es

Φ m (x)= P 2m1 ( x l ) T m (t)= A m cos( ω m(2m1) t )+ B m sin( ω m(2m1) t ),m=1,2,3...

Las frecuencias de los modos normales de vibración de la cuerda son

ω n =ω m(2m1)

Superposición

La solución general que satisface la condición de contorno Ψ(0,t)=0, es la superposición

ψ(x,t)= m=1 Φ m (x) T m (t) = m=1 P 2m1 ( x l )( A m cos( ω m(2m1) t )+ B m sin( ω m(2m1) t ) )

Donde los coeficientes Am y Bm se determinan a partir de las condiciones iniciales.

ψ(x,0)= ψ 0 (x)= m=1 A m P 2m1 ( x l ) ψ(x,t) t | t=0 = ψ ˙ 0 (x)= m=1 ω m(2m1) B m P 2m1 ( x l )

Teniendo en cuenta la propiedad de los polinomios de Legendre

1 1 P m (x) P n (x)dx ={ 2 2n+1 ,m=n 0,mn

Calculamos los coeficientes Am

0 l ψ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = 0 l ( m=1 A m P 2m1 ( x l ) ) P 2k1 ( x l ) 0 l ψ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = m=1 A m 0 l P 2m1 ( x l ) P 2k1 ( x l )dx 0 l ψ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = l 2 m=1 A m 1 1 P 2m1 ( ξ ) P 2k1 ( ξ )dξ 0 l ψ 0 (x) P 2m1 ( x l )dx = l 2 A m 2 2(2m1)+1 A m = 4m1 l 0 l ψ 0 (x) P 2m1 ( x l )dx

Calculamos los coeficientes Bm

0 l ψ ˙ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = 0 l ( m=1 ω m(2m1) B m P 2m1 ( x l ) ) P 2k1 ( x l ) 0 l ψ ˙ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = m=1 ω m(2m1) B m 0 l P 2m1 ( x l ) P 2k1 ( x l )dx 0 l ψ ˙ 0 (x) P 2k1 ( x l )dx = l 2 m=1 ω m(2m1) B m 1 1 P 2m1 ( ξ ) P 2k1 ( ξ )dξ 0 l ψ ˙ 0 (x) P 2m1 ( x l )dx = l 2 ω m(2m1) B m 2 2(2m1)+1 B m = 4m1 lω m(2m1) 0 l ψ ˙ 0 (x) P 2m1 ( x l )dx

Ejemplo

Se deforma inicialmente la cuerda tal como se muestra en la figura. Las condiciones iniciales son

ψ(x,0)={ 2h x l 0x< l 2 2h( 1 x l ) l 2 x<l ψ(x,t) x | t=0 =0

Los coeficientes Bm=0

Calculamos los coeficientes Am, respresentando el estado inicial de la cuerda t=0, y en el instante t=0.5. Los datos son:

w=1; %velocidad angular de rotación
L=1; %longitud de la cuerda
h=0.1; %deformación
N=50; %número de términos
%coeficientes A_m
A=zeros(1,N);
for m=1:N %inicial
    A(m)=(4*m-1)*2*h*(integral(@(x) legendreP(2*m-1,x/L).*x/L, 0,L/2)+
integral(@(x) legendreP(2*m-1,x/L).*(1-x/L), L/2,L))/L;
end

hold on
x=linspace(0,L,200);
y=zeros(1,length(x));
for m=1:N %inicial
    y=y+A(m)*legendreP(2*m-1,x/L);
end
plot(x,y,'r');
t=0.5; %instante
y=zeros(1,length(x));
for m=1:N 
    y=y+A(m)*legendreP(2*m-1,x/L)*cos(w*sqrt(m*(2*m-1))*t);
end
plot(x,y,'b');
hold off
grid on
legend('0','0.5')
xlabel('x')
ylabel('\Psi(x,t)')
title('Vibraciones de una cuerda en rotación')

Referencias

N. S. Kosholyakov, M. M. Smirnov, E. B. Gliner. Differential equations of Mathematical Physics. North-Holland Publishing Company (1964) pp. 210-213

Lim Yung-kuo. Problems and Solutions on Mechanics. World Scientific (1994). Problem 1232, pp. 379-382