Уравнение лапласа для полярных координат

ОПЕРАТОР ЛАПЛАСА В ПОЛЯРНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ. ПОНЯТИЕ О ВОЛНОВОМ УРАВНЕНИИ. ПАДАЮЩАЯ И ОТРАЖЕННАЯ ВОЛНА.

План лекции

1. Оператор Лапласа в полярной системе координат.

2. Понятие о волновом уравнении.

3. Падающая и отраженная волна.

o Оператор Лапласа в полярной системе координат

Оператор Лапласа — дифференциальный оператор, действующий в линейном пространстве гладких функций и обозначаемый символом . Функции он ставит в соответствие функцию

Оператор Лапласа эквивалентен последовательному взятию операций градиента и дивергенции: , таким образом, значение оператора Лапласа в точке может быть истолковано как плотность источников (стоков) потенциального векторного поля в этой точке. В декартовой системе координат оператор Лапласа часто обозначается следующим образом , то есть в виде скалярного произведения оператора набла на себя. Оператор Лапласа унитарен.

Уравнение Лапласа — дифференциальное уравнение в частных производных. В трёхмерном пространстве уравнение Лапласа записывается так:

Уравнение рассматривают также в двумерном и одномерном пространстве. В двумерном пространстве уравнение Лапласа записывается:

В полярных координатах уравнение Лапласа имеет вид:

o Понятие о волновом уравнении

Волновое уравнение — линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах (акустика, преимущественно линейная: звук в газах, жидкостях и твёрдых телах) и электромагнетизме (электродинамике). Находит применение и в других областях теоретической физики, например при описании гравитационных волн. Является одним из основных уравнений математической физики.

В многомерном случае однородное волновое уравнение записывается в виде:

где — оператор Лапласа, — неизвестная функция, — время, — пространственная переменная, — фазовая скорость.

Вывод для трёхмерного случая: в одномерном случае уравнение называется также уравнением колебания струны или уравнением продольных колебаний стержня и записывается в виде:

Разность называется оператором Даламбера и обозначается как . Таким образом, с использованием оператора Даламбера однородное волновое уравнение записывается как:

Допустимо также рассматривать неоднородное волновое уравнение:

где — некая заданная функция внешней силы.

Стационарным вариантом волнового уравнения является уравнение Лапласа (уравнение Пуассона в неоднородном случае).

Задача нахождения нормальных колебаний системы, описываемой волновым уравнением, приводит к задаче на собственные значения для уравнения Лапласа, то есть к нахождению решений уравнения Гельмгольца, получающегося подстановкой

или .

o Падающая и отраженная волна

Длинная линия — регулярная линия электропередачи, длина которой превышает длину волны колебаний, распространяющихся в ней, а расстояние между проводниками, из которых она состоит, значительно меньше этой длины волны.

Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний, и называется падающей. Другая волна называется отражённой, и возникает из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами.

*Слева – падающая волна, справа – отраженная

Физически эффект уменьшения амплитуд падающей и отраженной волн по мере их продвижения по линии объясняется наличием потерь в линии.

На рисунке слева изображены графики распределения падающей волны напряжения вдоль линии (в функции ) для двух смежных моментов времени: и . Падающая волна распространяется слева направо. При построении принято .

На рисунке справа представлены графики распределения отраженной волны напряжения для двух смежных моментов времени: и .

Отраженная волна распространяется справа налево.

Отношение напряжения отраженной волны в конце линии к напряжению падающей волны в конце линии называют коэффициентом отражения по напряжению и обозначают .

Фазовой скоростью называют скорость, с которой нужно перемещаться вдоль линии, чтобы наблюдать одну и ту же фазу колебания, или иначе: фазовая скорость — это скорость перемещения по линии неизменного фазового состояния.

Пример падающей волны:

1

0 1 2

Снимок волны при , при . Если , , если , то

1

1 2

1

0 1 2 3

Скорость волны – .

Контрольные вопросы:

1. Что такое оператор Лапласа? Уравнение Лапласа? Как записывается уравнение Лапласа в полярных координатах?

2. Что называется волновым уравнением? Как записывается волновое уравнение?

3. Что такое оператор Даламбера?

4. Что называется длинной линией, отраженной волной, падающей волной?

5. Что такое коэффициент отражения по напряжению?

Уравнение Лапласа

Определение и формула уравнения Лапласа

Уравнение с частными производными вида:

называемое уравнением Лапласа в декартовых координатах.

Это частный случай уравнения Гельмгольца. Его можно рассматривать в трехмерных (1), двумерных (2), одномерных и n-мерных пространствах:

Оператор называется оператором Лапласа (оператор Лапласа эквивалентен последовательному градиенту и расходимости).

Решение уравнения Лапласа

Решения уравнения Лапласа являются гармоническими функциями.

Уравнение Лапласа относится к эллиптическим уравнениям. Неоднородное уравнение Лапласа становится уравнением Пуассона.

Каждое решение уравнения Лапласа в ограниченной области G однозначно выделяется краевыми условиями, накладываемыми на поведение решения (или его производных) на границе области G. Если решение отыскивается во всём пространстве , краевые условия сводятся к предписанию некоторой асимптотики для f при . Задача о нахождении таких решений называется краевой задачей. Чаще всего встречаются задача Дирихле, когда на границе задано значение самой функции f, и задача Немана, когда задано значение производной f по нормали к границе.

Уравнение Лапласа в сферических, полярных и цилиндрических координатах

Уравнение Лапласа может быть записано не только в декартовых координатах.

В сферических координатах уравнение Лапласа имеет следующий вид:

В полярных координатах система координат уравнения:

В цилиндрических координатах уравнение имеет вид:

Многие проблемы физики и механики, в которых физическая величина является функцией только координат точки, приводят к уравнению Лапласа. Таким образом, уравнение Лапласа описывает потенциал сил в области, которая не содержит массы, потенциал электростатического поля — в области, которая не содержит зарядов, температуры во время стационарных процессов и т. Д. стационарная фильтрация подземных вод, возникновение поля вокруг электромагнита, а также стационарное электрическое поле вблизи фарфорового изолятора или электрического кабеля, встроенного в землю. Я имею переменное поперечное сечение, сводящееся к решению трехмерного Лапласа или уравнения Пуассона. Оператор Лапласа играет большую роль в квантовой механике.

Примеры решения проблем

Найдите поле между двумя коаксиальными цилиндрами с радиусами r1 и r2, разность потенциалов между которыми равна

Запишем уравнение Лапласа в цилиндрических координатах с учетом осевой симметрии:

Он имеет решение . Выберем нулевой потенциал на внешнем цилиндре, найдем, получим:

В результате мы имеем:

Поле между двумя коаксиальными цилиндрами задается функцией.

Исследовать устойчивость равновесия положительно заряженной частицы в электрическом поле (теорема Ирншоу).

Поместите начало координат в положение равновесия частицы. В этом случае мы можем предположить, что потенциал представлен как:

где все производные берутся в точке равновесия.

Для устойчивости положительного заряда необходимо, чтобы потенциальная энергия возрастала в любом из направлений, т. Е. Вторые производные от по координатам были больше .Но это противоречит уравнению Лапласа . Если ( следует учитывать следующие члены разложения .

Можно показать, что в этом случае устойчивое равновесие невозможно.