The Chemistry Maths Book, Second Edition

(Grace) #1

412 Chapter 14Partial differential equations


in space of the first few of these normal modes are illustrated in Figure 14.7 (see also


Figure 12.6 for the particle in a box).


The nth mode has n 1 − 11 nodesbetween the end points; that is, points of zero


displacement that do not move; the solutions (14.98) represent standing waves.


The complete solution


Each of the normal modes contains two constants,A


n

andB


n

, that are to be determined


by the initial conditions (14.88); that is, by the way the motion is initiated. It is possible


to choose the initial conditions so that the actual motion is one of the normal modes;


for example, the nth mode is produced if


(14.99)


In general however, a single mode will not satisfy the initial conditions; the motion is


not a pure normal mode but is a mixture or superposition of normal modes.


To obtain the solution for the general case, we invoke the principle of superposition


discussed in Section 12.2; ify


1

, 1 y


2

, 1 y


3

,1=are solutions of a homogeneous linear


equation then any linear combination of them is also a solution. Thus, for each


normal mode we have


(14.100)


so that, if


y 1 = 1 c


1

y


1

1 + 1 c


2

y


2

1 + 1 c


3

y


3

1 +1- (14.101)


then


(14.102)




=




2

22

2

2

y 1


x


y


v t




=




2

22

2

2

1


y


x


y


t


nn

v


t

nn

y


t


gx B


nx


l


=









==


0

() ω sin


π


yx f x A


nx


l


n

() () sin,= 0 =


π


...................................................................................................................................................................

...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...

.
...
..
......

..

...

.

n=1


fundam ental


...

...

....

...

....

....

...

....

...

....

....

...

....

....

....

....

.....

.....

.....

......

.......

..............................
........
.....
.....
.....
....
.....
....
....
...
....
....
...
....
....
...
....
...
....
....
...

. ..
....
...


.
...
...
.

...
....
.

....
...
.
.
....
...
.
......
..
............

...

......

..

.

.....

..

...

.....

....

...

.

...

...

..

..

...

. ...................................................................................................................................................................


...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...

.
...
..
......

..

...

.

.

...

..

...

..

...

..

...

..

...

..

..

..

...

..

....
..
...
..

n=2


firstovertone


..

...

...

...

...

...

..

...

...

...

...

...

..

....

..

...

....

...

...

....

....

...............
.....
...
....
...
...
...
...
...
...
...
...
..
...
...
...
...
...
..
...
...
...
...
..
...
...
...
..
...
...
...
...
...
..
....
..
...
....
...
...
....
...
.....
..........

.....

....

....

...

...

...

...

...

...

...

..

....

..

...

...

...

..

...

...

...

...

.
...
...
.

...
...
..

..
...
...

..
...
...

.
.....
...

.....

..

.

...

....

.

...

...

.

.

...

..

..

..

...

...

.

...

...

.

...

...

..

...

...

..

....

....

........

..
...
...

...
...
..

..
...
...

.
...
...
.
...................................................................................................................................................................

...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...

.
...
..
......

..

...

.

.

...

..

...

..

...

..

...

..

...

..

..

..

...

..

....
..
...
..

...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...

.
...
..
......

..

...

.

n=3


secon dovertone


..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

...

...

....

..........
....
...
...
..
...
...
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
...
..
....
...
...
.......

....

...

...

...

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

..

...

..

...

...

..

...

...

..

...

...

...

..

...

...

...

...

...

...........
...
....
..
...
...
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..

. ..
...
...
.


..
...
..
.

...
...
..

..
...
...

......

..

.

...

...

.

...

...

..

.

...

..

..

..

...

..

.

...

...

..

.

...

..

..

..

...

...

..

......
..
...
...

.
...
...
.

..
...
...

...
...
..

.
...
...
.

..
...
...

.
..
...
..

..
....
..
.

....

...

..

...

..

.

...

...

..

.

...

...

.

Figure 14.7

Free download pdf