レッスン
理論 — 1次元、2次元、3次元における波動方程式
波動方程式 utt = c²∇²u は、各点におけるuの2階時間微分(uを変位とすれば加速度)が、ラプラシアンのc²倍になることを示しています。ラプラシアンは、その点のすぐ周囲におけるuの平均値が、点自身のuの値からどれだけ上にあるかに比例します。1次元において、すべての解は速度cで反対方向に進む二つの波形になります(ダランベール、1747年)。3次元の場合、ある領域に限定された波が遠くの点に到達するのは、その点を中心とする半径ctの球が領域を通過している間だけであり、その後その点は静止状態に戻ります。しかし2次元ではそうはなりません。残差としての裾が残り、叩かれた後の減衰は1/tに比例するのみです。
各記号の意味
u- 波の値:弦や膜の変位、あるいは空間における過剰空気圧などの量
c- 波の伝播速度
a- 初期の波の山の半径。このページ上のすべての長さはaを単位とし、時間はa/cを単位とする
g- 初期の波の山の形。中心からの距離s(単位はa)において(1 − s²)²となり、s ≥ 1でゼロ
- 前提
- 端や壁のない直線、平面、空間。そのため、観測点に反射して戻ってくるものはありません。また、変位が小さいことを仮定しているため、方程式は線形になります。つまり、2倍の強さで叩かれた波の山は、ページ上のすべての数値を2倍にします。
全プロセスの詳細解説
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平坦な世界では、拍手の音はどれくらい残り続けるのか? 4 ステップ
叩かれた膜において、5a離れた観測点は最大値0.0867 v₀a/cを記録します。裾がその1%に減衰するまで、どれくらいの時間がかかるでしょうか? 5aで観測(叩く)を押してください。ページには最大値と、裾の法則の横にct = 20aでの値が表示されます。
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波が通過したずっと後、膜の値は点状の衝撃に対する裾の法則に従います。ct = 20aにおいて、二つの値はすでに3桁目まで一致しています。
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最大値の1パーセントは
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これと裾の法則を等しいと置いて、ct/aについて解きます。
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空間では、同じ観測点がct = 6aから静寂になります。直径約10 cmの波、すなわちa = 0.05 mの場合、c = 343 m/sの空気中で拍手をすると、時間の単位a/cは
解答
約ct = 192aにおいて。これは空間が静寂になる6aの32倍です。 10 cm幅の拍手の場合、空間での1ミリ秒未満に対して28ミリ秒もかかることになります。平坦な世界では、あらゆる音が後に続く音へとその裾を引きずることになります。裾は1/tで減衰するため、しきい値を2%にすれば待ち時間はおよそ半分になります。
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学習の道すじ
熱伝導方程式、波動方程式、ラプラス方程式
参考文献 (2)
- The vibrating string's equation solved as the sum of two arbitrary functions, y = Ψ(t + s) + Γ(t − s): every motion of the string is two shapes travelling in opposite directions (art. VII), followed by a long continuation working out which shapes satisfy fixed ends: J. le Rond d'Alembert, "Recherches sur la courbe que forme une corde tenduë mise en vibration", Histoire de l'Académie royale des sciences et belles lettres de Berlin 3 (1747, published 1749), 214–219; "Suite des recherches…", same volume, 220–249.
- Huygens' principle in its narrow sense, a disturbance localised at the start stays localised on a thin spherical shell (Book II, §33), and its failure in two dimensions: the 'residual integral' left after the wave has passed, so that 'cylindrical waves, unlike spherical ones, diffuse' (Book III, §111), and the sign of that residual, negative for a positive starting displacement when there are three variables (§112): J. Hadamard, Lectures on Cauchy's Problem in Linear Partial Differential Equations, Yale University Press, New Haven, 1923 (Mrs. Hepsa Ely Silliman Memorial Lectures), Book II §33, pp. 53–55, and Book III §§111–112, pp. 175–178.