Corda Vibrante

De Física Computacional
Revisão de 13h40min de 20 de abril de 2024 por Marcospasa (discussão | contribs) (análise espectral: bases enumeráveis)
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A equação da onda

Método FTCS

Sobre estabilidade

Análise espectral

Uma possível forma para quantitativamente analisar o som gerado por uma corda vibrante é estudar as frequências que compõem o seu movimento, técnica essa chamada de análise espectral. Antes de prosseguirmos vamos recapitular alguns resultados da álgebra linear

Supremacia da álgebra linear

O seguinte conjunto ℝℝ={f|f:ℝ→ℝ} é o espaço de funções reais de uma variável. Esse conjunto é um espaço vetorial, logo podemos utilizar toda a artilharia da álgebra linear, em especial, estamos interessados no sub-espaço gerado pela base B={sen(ωt)/π,cos(ωt)/π}ω∈ℝ+ [1], pois elementos de B, interpretados como sinais sonoros, representam um frequência pura de valor f=ω/(2π). Dessa forma, um sinal arbitrário s(t) pode ser escrito em termos das frequências puras que o formam

s(t)=1π∫0∞[a(ω)cos(ωt)+b(ω)sen(ωt]dω

E podemos extrair suas coordenadas (a(ω) e b(ω)), fazendo o produto escalar com os elementos da base

a(ω)=∫−∞∞s(t)1πcos(ωt)dtb(ω)=∫−∞∞s(t)1πsen(ωt)dt

Se o domínio de s(t) é limitado, digamos t∈[0,T], então uma base infinita com cardinalidade enumerável (em contraste com a base anterior, que possui cardinalidade não enumerável) é suficiente para representar s(t), uma possível base ortonormal é a seguinte: {1T,2Tsen(ωnt),2Tcos(ωnt)}n∈ℕ*, em que ωn=nπT. Dessa forma, a representação e coordenadas de s(t) ficam

s(t)=a01T+2T∑n=1∞[ancos(ωnt)+bnsen(ωn)]a0=∫0Ts(t)1Tdtan=∫0Ts(t)2Tcos(ωnt)dtbn=∫0Ts(t)2Tsen(ωnt)dt

É impossível falar sobre bases enumeráveis de um sub-espaço de ℝℝ sem representar esse canhão matemático com uma animação. Abaixo segue uma animação que calcula as primeiras N coordenadas (a0,…,aN e b1,…,bN) de um sinal qualquer e sobrepõem a série obtida incrementando N até as duas curvas serem indistinguíveis a olho nu.

Agora, considerando uma corda vibrante, o nosso sinal sonoro provém da vibração de um ponto específico da corda, digamos em x=xo, então a função que representa esse sinal é y(xo,t)

Condição inicial para uma corda de violão

Notas

  1. ↑ A constante 1/π está presente por questão de normalização. Esse caso pode parecer um pouco estranho, dado que não é possível normalizar os cossenos e senos, pois sua integral em todo a reta não é definida, mas o que se deseja é a seguinte propriedade ∫ℝAωcos(ωt)⋅Aω′cos(ω′t)dt=δ(ω−ω′) que é safisfeita quando Aω=Aω′=1/π,∀ω,ω′