Processing math: 100%

Eulerova diferencijalna jednadžba

 

Ivana Crnjac,
Fakultet primijenjene matematike i informatike, Sveučilište u Osijeku, trg Lj. Gaja 6, 31000 Osijek, Hrvatska; e-mail address: icrnjac@mathos.hr
Robert Ledenčan
Industrijsko-obrtnička škola Virovitica, Ulica Zbora narodne garde 29, 33000 Virovitica, Hrvatska; e-mail address: robert.ledencan@skole.hr

Sažetak
U ovome radu definirat ćemo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu i pokazati na koji način određujemo njezina rješenja. Klasificirat ćemo vrste singularnih točaka te opisati Frobeniusovu metodu za pronalazak rješenja Eulerove diferencijalne jednadžbe u okolini singularnih točaka. Kako se ova jednadžba često pojavljuje u raznim znanstvenim i inženjerskim granama, na kraju ćemo navesti neke od primjena Eulerove diferencijalne jednadžbe u fizici.


Ključne riječi: Eulerova diferencijalna jednadžba, singularne točke, linearna diferencijalna jednadžba drugog reda, Frobeniusova metoda.



1Uvod

Diferencijalna jednadžba je jednadžba koja povezuje i daje odnos između promatrane funkcije i njezinih derivacija. Takvi odnosi su u primjenama iznimno česti pa se diferencijalne jednadžbe prirodno pojavljuju pri matematičkom opisu raznih prirodnih pojava, posebice pri opisivanju velikog broja fizikalnih pojava kao što su električno polje, titranje, provođenje topline, i sl. Osim u fizici, značajna je njihova primjena u inženjerstvu, biologiji, kemiji, medicini i ekonomiji. U ovom velikom području primjena, centralnu ulogu imaju linearne obične diferencijalne jednadžbe, tj. jednadžbe oblika
(1)
y(n)(x)+an1(x)y(n1)(x)++a1(x)y(x)+a0(x)y(x)=f(x),xIR,
pri čemu su funkcije f i ai, i=0,n1, neprekidne na danom otvorenom intervalu I. Jednadžbu (1) zovemo homogenom ako je f0, odnosno nehomogenom ako je f0. Ukoliko su uz jednadžbu zadani i početni uvjeti
(2)
y(x0)=y0,y(x0)=y1,,y(n1)(x0)=yn1,
tada diferencijalnu jednadžbu (1) zajedno s početnim uvjetima (2) nazivamo Cauchyjeva zadaća. Može se pokazati da Cauchyjeva zadaća na otvorenom intervalu ima jedinstveno rješenje [1, 4].
U nastavku ćemo ukratko objasniti rješavanje diferencijalne jednadžbe (1), a detaljnije informacije mogu se pronaći u [1, 3, 4]. Ukoliko sa yp označimo jedno (partikularno) rješenje diferencijalne jednadžbe (1), onda je opće rješenje spomenute jednadžbe dano s y(x)=yp(x)+c1y1(x)+c2y2(x)++cnyn(x), c1,c2,,cnR, pri čemu su y1,y2,,yn linearno nezavisna rješenja pripadne homogene diferencijalne jednadžbe
(3)
y(n)+an1(x)yn1++a1(x)y+a0(x)y=0.
Skup {y1,y2,,yn} naziva se fundamentalni skup rješenja. Ukoliko su funkcije ai, i=0,,n1, konstantne, tada se fundamentalni skup može vrlo jednostavno odrediti, dok je u suprotnom često potrebno koristiti neke numeričke metode ili redove potencija za pronalazak fundamentalnog rješenja.

Glavni cilj ovog rada je proučavanje jednog predstavnika linearnih diferencijalnih jednadžbi, a to je Eulerova diferencijalna jednadžba. Ova se jednadžba prirodno pojavljuje u rješavanju Laplaceove diferencijalne jednadžbe u polarnim koordinatama, analizi quicksort stabla i stabla pretraživanja, jednadžbama ravnoteže i brojnim drugim znanstvenim i inženjerskim područjima. U drugom poglavlju definirat ćemo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu i pokazati metode pronalaska njezinog rješenja. Osim toga, upoznat ćemo se i sa pojmom singularnih točaka koje su od posebnog značaja u primjenama, te ćemo pokazati kako dolazimo do rješenja Eulerove jednadžbe u njihovoj okolini. Treće poglavlje posvećeno je primjenama Eulerove diferencijalne jednadžbe u fizici.


2Eulerova diferencijalna jednadžba

Eulerova diferencijalna jednadžba (poznata u literaturi i pod nazivom Cauchy-Eulerova diferencijalna jednadžba) pripada linearnim običnim diferencijalnim jednadžbama n-tog reda, a definiramo ju na sljedeći način:
Definicija 1. Neka je IR otvoren, te fC(I). Diferencijalnu jednadžbu
(4)
anxny(n)(x)+an1xn1y(n1)(x)++a1xy(x)+a0y(x)=f(x),
pri čemu su aiR,an0,i=0,,n, nazivamo Eulerova diferencijalna jednadžba n-tog reda.


Ukoliko je f0, jednadžbu (4) nazivamo homogenom, u suprotnom jednadžba je nehomogena. Primijetimo da prvi koeficijent anxn nestane za x=0, što implicira da ćemo rješenje tražiti na intervalima ,0 i 0,.

Pretpostavimo najprije da je x0,. Eulerovu jednadžbu rješavat ćemo na način da ju svedemo na linearnu diferencijalnu jednadžbu s konstantnim koeficijentima. Uvedemo li supstituciju x=et, uzastopnim deriviranjem funkcije y(x)=y(et)=Y(t) dobivamo niz funkcija

y(x)=etddtY(t),y(x)=e2tddt(ddtI)Y(t),y(x)=e3tddt(ddtI)(ddt2I)Y(t),y(n)(x)=entddt(ddtI)(ddt2I)(ddt(n1)I)Y(t),

gdje je I operator identiteta. Uvrštavanjem supstitucije i gornjih funkcija u homogenu Eulerovu jednadžbu (4), dobivamo jednadžbu

(5)
[anddt(ddtI)(ddt2I)(ddt(n1)I)+++a2ddt(ddtI)+a1ddt+a0]Y(t)=0,

što je homogena linearna obična diferencijalna jednadžba n-tog reda s konstantnim koeficijentima. Iz teorije linearnih diferencijalnih jednadžbi znamo da je za pronalazak općeg rješenja gornje jednadžbe dovoljno pronaći fundamentalni skup rješenja. Ukoliko za neki λC pretpostavimo da je rješenje jednadžbe (5) oblika Y(t)=eλt, uvrštavanjem u jednadžbu slijedi

(6)
P(λ)eλt=0,

gdje je

(7)
P(λ)=anλ(λ1)(λ2)(λn+1)++a2λ(λ1)+a1λ+a0.

Gornji polinom nazivamo karakterističnim polinomom jednadžbe (5), a često i karakterističnim polinomom homogene Eulerove jednadžbe (4). Nadalje, iz jednadžbe (6) možemo vidjeti da je Y(t)=eλt rješenje jednadžbe (5) ako i samo ako je P(λ)=0. Prema tome, određivanjem nultočki karakterističnog polinoma dolazimo do rješenja diferencijalne jednadžbe (5). Može se pokazati da ako je λC nultočka kratnosti m karakterističnog polinoma (7), onda su funkcije

(8)
Yi(t)=ti1eλt,i=1,,m

linearno nezavisne i pripadaju fundamentalnom skupu rješenja jednadžbe (5) [4].

Napomena 1. Kako se u primjenama najčešće pojavljuje Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda,

 

(9)
a2x2y(x)+a1xy(x)+a0y(x)=0,

raspisat ćemo detaljnije postupak rješavanja ove jednadžbe. Pretpostavimo da je x>0 i uvedimo supstituciju x=et. Tada je

Y(t)=y(et)=y(x),ddtY(t)=y(x)et,d2dt2Y(t)=y(x)e2t+y(x)et=y(x)e2t+ddtY(t),

i jednadžba (9) postaje

(10)
a2d2dt2Y(t)+(a1a2)ddtY(t)+a0Y(t)=0.

Karakteristični polinom jednadžbe (10) glasi

(11)
P(λ)=a2λ2+(a1a2)λ+a0.

Neka su λ1, λ2 nultočke karakterističnog polinoma (11). Ovisno o tipu nultočki, razlikujemo tri slučaja fundamentalnog skupa rješenja jednadžbe (10):

[1)] Ako su λ1 i λ2 dvije različite realne nultočke polinoma (11), tada prema (8) slijedi da funkcije Y1(t)=eλ1t i Y2(t)=eλ2t čine fundamentalan skup rješenja jednadžbe (10).
[2)] Ako je λ1=λ2 jedna dvostruka realna nultočka polinoma (11), tada (8) implicira da funkcije Y1(t)=eλ1t i Y2(t)=teλ1t čine fundamentalan skup rješenja jednadžbe (10).
[3)] Ako je λ=α±iβ, β0, kompleksno konjugiran par nultočki polinoma (11), tada je Y(t)=eλt=eαt+iβt=eαt(cos(βt)+isin(βt)) jedno kompleksno rješenje jednadžbe (10) iz čega slijede dva linearno nezavisna realna rješenja Y1(t)=eαtcos(βt) i Y2(t)=eαtsin(βt) koja čine fundamentalan skup rješenja jednadžbe (10).

Opće rješenje diferencijalne jednadžbe (10) je linearna kombinacija elemenata fundamentalanog skupa {Y1(t),Y2(t)}, tj. opće rješenje glasi:

Y(t)=c1Y1(t)+c2Y2(t),c1,c2R.

Vraćanjem supstitucije dobivamo opće rješenje Eulerove diferencijalne jednadžbe (9),

y(x)=c1Y1(lnx)+c2Y2(lnx),c1,c2R.

 



Pretpostavimo sada da je x,0. U tom slučaju x se može zamijeniti sa x=|x| pa, za λC , dobivamo sljedeći rezultat za rješenje homogene Eulerove diferencijalne jednadžbe [4].

Theorem 2.1 Neka su λ1λk različite nultočke karakterističnog polinoma (7) jednadžbe
(12)
anxny(n)(x)+an1xn1y(n1)(x)++a1xy(x)+a0y(x)=0,
te λj kratnosti mj. Tada funkcije pij, takve da je
(13)
pij=|x|λjln(|x|)i1,i=1,,mj,j=1,,k,
čine fundamentalni skup rješenja jednadžbe (12) na svakom intervalu koji ne sadrži x=0.

 



Primijetimo da, ukoliko je x0,, u slučaju Eulerove diferencijalne jednadžbe drugog reda, fundamentalni skup rješenja iz gornjeg teorema podudara se sa fundamentalnim skupom dobivenim u Napomeni 1. Zaista, ukoliko je, primjerice, λ nultočka karakterističnog polinoma jednadžbe (10) kratnosti m=2, tada prema Napomeni 1 funkcije y1(x)=Y1(lnx)=xλ i y2(x)=Y2(lnx)=xλlnx čine fundamentalni skup rješenja jednadžbe (9), a to su upravo funkcije oblika (13) iz Teorema 2.1.

 

2.1Singularne točke

Nerijetko je u primjenama potrebno promatrati ponašanje rješenja određene diferencijalne jednadžbe u okolini singularnih točaka što može biti vrlo složen zadatak, u ovisnosti o prirodi singularnih točaka. Rješenja diferencijalne jednadžbe u okolini ovih točaka često postanu vrlo velika ili pak jako brzo osciliraju pa u nekim slučajevima jednadžbu nije moguće riješiti u okolini singularne točke. Kao što smo već ranije napomenuli, mnoge jednadžbe koje se pojavljuju u primjenama su jednadžbe drugog reda, tako da ćemo se u ovom poglavlju fokusirati na singularne točke diferencijalnih jednadžbi drugog reda, a posebno na singularne točke Eulerove diferencijalne jednadžbe.
Definicija 2. Neka su zadani proizvoljni polinomi p, q i r. Za točku x0 kažemo da je regularna točka diferencijalne jednadžbe

 

(14)
p(x)y(x)+q(x)y(x)+r(x)y(x)=0,

ako su funkcije q(x)p(x) i r(x)p(x) analitičke u točki x0. Ukoliko točka x0 nije regularna, onda kažemo da je x0 singularna točka.



Prisjetimo se da je funkcija f:IRR je analitička u x0I ukoliko se može prikazati u obliku reda potencija

 

(15)
f(x)=n=0an(xx0)n

oko točke x0 na nekom krugu K(x0,R), gdje je R>0 polumjer konvergencije reda potencija (15). Prema tome, funkcije q(x)p(x) i r(x)p(x) će biti analitičke u svim točkama, osim u onim za koje je p(x)=0. Takve točke su upravo singularne točke diferencijalne jednadžbe (14).

Definicija 3. Za singularnu točku x0 diferencijalne jednadžbe (14) kažemo da je regularna singularna točka ako su funkcije

 

(16)
(xx0)q(x)p(x)i(xx0)2r(x)p(x)

analitičke u točki x0. Ukoliko barem jedna od prethodnih funkcija nije analitička u točki x0, onda za x0 kažemo da je iregularna singularna točka.



U slučaju regularne singularne točke, diferencijalna jednadžba se može transformirati u jednadžbu s regularnim ponašanjem, točnije, rješenje diferencijalne jednadžbe u regularnoj singularnoj točki može se prikazati kao red potencija s konačnim polumjerom konvergencije. S druge strane, ako diferencijalna jednadžba ima iregularnu singularnu točku, rješenje jednadžbe u toj točki ne može se izraziti kao red potencija, nego može uključivati i neke posebne ili neelementarne funkcije. U sljedećem primjeru odredit ćemo singularne točke Eulerove diferencijalne jednadžbe drugog reda.

 

Primjer 1. Neka su a2,a1,a0R, i a20. Odredimo i klasificirajmo singularne točke obične diferencijalne jednadžbe

 

a2x2y(x)+a1xy(x)+a0y(x)=0.

Kako je p(x)=a2x2, q(x)=a1x, a r(x)=a0, to je

q(x)p(x)=a1a2x,r(x)p(x)=a0a2x2,

pa je jedina singularna točka Eulerove diferencijalne jednadžbe jednaka x0=0. Kako je

(x0)q(x)p(x)=a1a2i(x0)2r(x)p(x)=a0a2,

slijedi da je x0=0 regularna singularna točka.



Ukoliko je točka x0 regularna singularna točka diferencijalne jednadžbe (14), onda njena rješenja općenito nisu definirana u točki x0. Međutim, diferencijalna jednadžba (14) ima dva linearno nezavisna rješenja na kružnom vijencu K(x0;0,R), R>0 pa je moguće (barem aproksimativno) odrediti rješenje jednadžbe u okolini svake regularne singularne točke. Za pronalazak rješenja koristit ćemo tzv. Frobeniusovu metodu koja kaže da jednadžba (14) uvijek ima barem jedno rješenje oblika

 

y(x)=xrn=0An|xx0|n,

za pogodno odabrani r i A00, koje konvergira na otvorenom kružnom vijencu K(x0;0,R), za neki R>0. Ovakvo rješenje nazivamo Frobeniusovim rješenjem.

U nastavku ćemo pretpostaviti da je p(x)=a2x2, q(x)=a1x, i r(x)=a0, tj. rješavat ćemo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu

(17)
a2x2y(x)+a1xy(x)+a0y(x)=0

u okolini svoje regularne singularne točke x0=0. Bez smanjenja općenitosti, promatrat ćemo rješenja definirana na 0,, tj. pretpostavit ćemo da je x>0. Slučaj x<0 je analogan, uz male modifikacije, slično kao u prethodnom poglavlju. Neka je

(18)
y(x)=xλn=0Anxn,

Frobeniuosovo rješenje jednadžbe (17) koje konvergira na kružnom vijencu K(0;0,R). Red (18) možemo derivirati član po član pa uvrštavanjem u jednadžbu (17) dobivamo

(19)
n=0(a2(λ+n)(λ+n1)+a1(λ+n)+a0)Anxλ+n=0.

Da bi gornja jednadžba bila zadovoljena, koeficijent uz svaku potenciju od x mora biti jednak nuli. Kako je po pretpostavci A00, a koeficijent uz xλ

(a2λ(λ1)+a1λ+a0)A0=0,

to slijedi

(20)
P(λ)=a2λ(λ1)+a1λ+a0=0.

Primijetimo da je polinom P(λ) karakteristični polinom pridružen diferencijalnoj jednadžbi (17). Prema tome, ukoliko sa λ1 i λ2 označimo korijene karakterističnog polinoma (20), i dodatno pretpostavimo da je Re(λ1)Re(λ2), tada je jedno Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (17) oblika

(21)
y1(x)=xλ1n=0Anxn,

pri čemu gornji red konvergira na kružnom vijencu K(0;0,R), za neki R>0. Za pronalazak fundamentalnog rješenja, potrebno je odrediti još jedno rješenje jednadžbe (17) koje je linearno nezavisno sa rješenjem (21). Njega dobivamo na sljedeći način [3, 5].
1) Ako λ1λ2N0, onda je s

y2(x)=xλ2n=0Bnxn

definirano Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (17) koje je linearno nezavisno s rješenjem (21).
2) Ako je λ1=λ2, onda je

y2(x)=y1(x)lnx+xλ2n=0Bnxn,

za y1 oblika (21), drugo Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (17) i ta dva rješenja su linearno nezavisna.
3) Ako je λ1=λ2+m, mN, onda, za rješenje y1 oblika (21), slijedi da je

y2(x)=Cy1(x)lnx+xλ2n=0Cnxn,CR

još jedno Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (17) koje je linearno nezavisno s rješenjem y1.

Koeficijente An, Bn, Cn te konstantu C iz gornjih rješenja određujemo uvrštavanjem Frobeniusovih rješenja y1 i y2 u diferencijalnu jednadžbu (17). Time smo pronašli fundamentalan skup Frobeniusovih rješenja {y1,y2} diferencijalne jednadžbe (17).

Primjer 2. U okolini regularne singularne točke 0 odredimo dva linearno nezavisna Frobeniousova rješenja Eulerove jednadžbe

 

(22)
x2y(x)+xy(x)y(x)=0.

Karakteristični polinom zadane jednadžbe glasi

P(λ)=λ21,

a njegove nultočke su λ1=1 i λ2=1. Prema tome, jedno Frobeniusovo rješenje glasi

y1(x)=xn=0Anxn=n=0Anxn+1,

dok je drugo oblika

y2(x)=Cy1(x)lnx+n=0Cnxn1,

jer je λ1=λ2+2. Odredimo najprije koeficijente An rješenja y1. Kako je

y1(x)=n=0(n+1)Anxn,y1(x)=n=0(n+1)nAnxn1,

uvrštavanjem u jednadžbu (22) dobivamo

x2n=0(n+1)nAnxn1+xn=0(n+1)Anxnn=0Anxn+1=0,

to jest,

n=0(n2+2n)Anxn+1=0.

Iz gornje jednadžbe slijedi da je An=0, za svaki nN, pa je

y1(x)=A0x.

Nadalje, uvrštavanjem

y2(x)=CA0xlnx+n=0Cnxn1,y2(x)=CA0(lnx+1)+n=0(n1)Cnxn2,y2(x)=CA01x+n=0(n1)(n2)Cnxn3.

u jednadžbu (22) dobivamo

2CA0x+n=0(n1)(n2)Cnxn1+n=0(n1)Cnxn1n=0Cnxn1=0,

što možemo zapisati kao

2CA0x+n=0(n22n)Cnxn1=0.

Raspisivanjem koeficijenata uz potencije od x slijedi da su C i svi koeficijenti Cn, nN0, jednaki nuli, osim C0 i C2. Prema tome,

y2(x)=C01x+C2x.

 



Napomenimo i da jednadžbe oblika

 

(23)
a2(xa)2y(x)+a1(xa)y(x)+a0y(x)=0,

za neki aR, pripadaju Eulerovim diferencijalnim jednadžbama, s regularnom singularnom točkom x0=a. Ove jednadžbe rješavamo supstitucijom t=xa, čime se jednadžba (23) svodi na (17).



3Primjene Eulerove diferencijalne jednadžbe

Eulerova diferencijalna jednadžba prirodno se pojavljuje prilikom promatranja mnoštva fizikalnih pojava, a posebice u području elektrostatike i mehaničke otpornosti materijala. U sljedećih nekoliko primjera objasnit ćemo fizikalne probleme u kojima se pojavljuje ova jednadžba, a potom riješiti navedene probleme [2, 6, 7].

 

3.1Stacionarno provođenje topline

U mehanici se često promatraju štapovi promjenjivog poprečnog presjeka, a jedan takav štap prikazan je na Slici 1. Promjena poprečnog presjeka ovog štapa duljine l ovisi o udaljenosti središta promatranog presjeka štapa od ishodišta, a dana je formulom

 

(24)
S(x)=S0(1+xd)2,

pri čemu je S0 površina poprečnog presjeka štapa u točki x=0, a d>0 fiksan.

  
Slika 1: Štap promjenjivog poprečnog presjeka.


Ukoliko je uz zadanu vanjsku toplinu f(x) štap u vezi s regulatorom koji na svakom presjeku odvodi iz štapa količinu topline proporcionalne temperaturi u(x) na tom mjestu, onda je prisutan i linijski fluks s gustoćom b(x)u(x), za b(x)0, i jednadžba stacionarnog provođenja topline glasi

(25)
(κS(x)u(x))b(x)u(x)+f(x)=0,

pri čemu je κ>0 koeficijent provođenja materijala od kojeg je štap napravljen. Ako pretpostavimo da je f(x)=0 i b(x)=b, jednadžba (25), uz supstituciju t=1+xd, postaje

(26)
κS01d2t2U(t)+κS02d2tU(t)bU(t)=0,

gdje je U(t)=U(1+xd)=u(x). Jednadžba (26) je upravo Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda (9) s koeficijentima

a2=κS01d2,a1=κS02d2,a0=b.

Karakteristični polinom jednadžbe (26) glasi

κS01d2λ2+κS01d2λb=0,

a njegove nultočke su

λ1,2=12±d2κS0κ2S201d2+4κS0b.

Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju

D=κ2S201d2+4κS0b,p1=1dDκS0,p2=1+dDκS0.

Kako je D>0 i t>0, prema Teoremu 11, fundamentalni sustav rješenja jednadžbe (26) čine funkcije

U1(t)=tλ1=tp12,U2(t)=tλ2=tp22.

Stoga je temperatura u svakoj točki promatranog štapa opisana funkcijom

u(x)=C1(1+xd)p12+C2(1+xd)p22,C1,C2R.

Dodatno, ako pretpostavimo da je lijevi kraj štapa toplinski izoliran, a na desnom kraju štapa se održava temperatura od 1 stupanj, tj. u(0)=0 i u(l)=1, onda su konstante C1 i C2 jednake

C1=p2p1(p2p1(1+ld)p12+(1+ld)p22)1,C2=(p2p1(1+ld)p12+(1+ld)p22)1.

 

3.2Električni potencijal vodljive nabijene sfere

Električni potencijal Φ je skalarna fizikalna veličina koja opisuje potencijalnu energiju električki nabijene čestice u statičkom električnom polju. Možemo ga odrediti koristeći Gaussov zakon, zapisan u obliku Poissonove jednadžbe,

 

(27)
ΔΦ=ρε0,

gdje je ρ volumna raspodjela naboja, a ε0 dielektrična konstanta vakuuma. Neka je dana vodljiva nabijena sfera polumjera R čiji je električni potencijal potrebno odrediti na udaljenosti r od površine sfere. Pretpostavimo da se sve točke na površini sfere nalaze na istom potencijalu Vs, tj. naboj je simetrično raspoređen. Dodatno, pretpostavimo da se sfera nalazi u velikom mediju bez naboja (što implicira da je ρ=0) te da je električni potencijal u beskonačnosti, Φ(), jednak nuli.

 
Slika 2: Vodljiva nabijena sfera.

Kako je naboj simetrično raspoređen, potencijal ovisi isključivo o udaljenosti od površine sfere pa zapisom Laplaceovog diferencijalnog operatora u sfernim koordinatama jednadžba (27) se svodi na jednadžbu

[1r2ddr(r2ddr)]Φ(r)=0.

Sređivanjem gornje jednadžbe dobivamo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu drugog reda,

(28)
r2Φ(r)+2rΦ(r)=0.

Karakteristični polinom gornje jednadžbe je

P(λ)=λ2+λ,

a njegove nultočke su λ1=0 i λ2=1. Kako je r>0, to je, prema Teorema 11, fundamentalni skup rješenja jednadžbe (28) jednak {1,1r}, dok je opće rješenje jednadžbe dano s

Φ(r)=C1+C21r,C1,C2R.

Iz pretpostavke da je potencijal u beskonačnosti jednak nuli slijedi

Φ()=limr(C1+C21r)=C1=0,

a kako je površina sfere potencijala Vs, to je

Φ(R)=C21R=Vs.

Dakle, C1=0 i C2=VsR, pa je električni potencijal nabijene vodljive sfere dan formulom

Φ(r)=VsR1r.

 

3.3Ravnoteža kružnog diska

Promotrimo problem određivanja radijalnog pomaka u homogenog diska konstantnog poprečnog presjeka u obliku kružnog vijenca. Pretpostavimo da na disk djelujemo kontinuiranim i radijalno jednoliko raspoređenim opterećenjem p tako da za radijalno naprezanje σr vrijedi σr(a)=p i σr(b)=0, gdje su a i b=2a polumjeri kružnog vijenca. Dodatno, pretpostavimo da je kutna brzina diska jednaka nuli.

 

 
Slika 3: Poprečni presjek homogenog kružnog diska.


Jednadžba ravnoteže dana je sa

ddr[h(r)rσr]h(r)σφ+h(r)ρ(r)ω2r2=0,

pri čemu su σr i σφ radijalno i kružno naprezanje, h debljina diska, ρ gustoća materijala diska, a ω kutna brzina diska oko uzdužne osi diska. Kako je disk homogen, konstantnog poprečnog presjeka, te je kutna brzina ω jednaka nuli, gornja jednadžba postaje

(29)
ddr[rσr]σφ=0.

Nadalje, za radijalno i kružno naprezanje vrijede sljedeći zakoni ponašanja:

(30)
σr=E1ν2(dudr+νur),σφ=E1ν2(ur+νdudr),

gdje je E Youngeov modul elastičnosti materijala, a ν Poissonov koeficijent koji ovisi o vrsti materijala. Uvrštavanjem zakona ponašanja u jednadžbu (29) dobivamo

(31)
r2d2udr2+rdudru=0,

što je upravo homogena Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Pripadni karakteristični polinom glasi P(λ)=λ21, a nultočke su mu λ1=1, i λ2=1. Prema Teoremu 11, rješenje jednadžbe (31) dano je s

u(r)=C1u1(r)+C2u2(r)=C1r+C21r,C1,C2R.

Konstante C1 i C2 lako dobivamo iz zakona ponašanja (30) i uvjeta σr(a)=p i σr(b)=0, i vrijedi

C1=(1ν)pa2(b2a2)E,C2=(1+ν)pa2b2(b2a2)E.

Stoga je radijalni pomak diska dan formulom

u(r)=(1ν)pa2(b2a2)Er+(1+ν)pa2b2(b2a2)E1r.

 

3.4Konzola promjenjivog poprečnog presjeka

Za kraj, pronađimo kritičnu silu prilikom izvijanja konzole (štap rešetkaste strukture, eng. cantilever) promjenjivog momenta tromosti Ix=I0x2a2 opterećene silom P kao na Slici 4.

 

 
Slika 4: Konzola promjenjivog poprečnog presjeka.

Kritična sila je granična vrijednost tlačne sile kod koje dolazi do gubitka stabilnosti ravnoteže, a za konzolu vrijedi

Pkr=π2EI0l2b,

pri čemu je E Youngeov modul elastičnosti materijala konzole, a lb dužina izvijanja štapa. Prilikom promatranja izvijanja, zamišljenu krivulju koja uzdužno prolazi kroz štap i prati deformaciju štapa uzrokovanu tlačnom silom nazivat ćemo elastična krivulja. U slučaju konzole, diferencijalna jednadžba elastične krivulje dana je sa

EIxd2wdx2+Pw=0,

gdje je w progib konzole. Jedan kraj konzole je učvršen, a drugi slobodan pa su početni uvjeti w(a)=0 i dwdx(a+l)=0. Uzimajući u obzir izraz za Ix, diferencijalna jednadžba glasi

(32)
x2d2wdx2+Pa2EI0w=0,

što je Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Nultočke karakterističnog polinoma P(λ)=λ2λ+Pa2EI0 jednadžbe (32) su

λ1,2=12±iPa2EI014.

Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju B=Pa2EI014. Primjenom Teorema 11, opće rješenje jednadžbe (32) glasi

w(x)=C1xcos(Blnx)+C2xsin(Blnx),C1,C2R.

Može se pokazati da prethodno rješenje ima ekvivalentni zapis oblika

w(x)=C1xacos(Blnxa)+C2xasin(Blnxa),C1,C2R,

koji ćemo iskoristiti kako bismo odredili kritičnu silu. Iz uvjeta w(a)=0 slijedi C1=0, dok iz uvjeta w(a+l)=0 dobivamo

tan(Bln(a+la))C2+2BC2=0.

Kako ne želimo trivijalno rješenje w=0, smatramo da je C20 pa je

tan(Bln(a+la))+2B=0.

Ukoliko poznajemo vrijednosti l i a, numeričkim metodama možemo odrediti minimalni B što ćemo označiti sa Bkr. Tada je

EI0a2(B2kr+14)=EI0a2(Pkra2EI014+14)=Pkr,

čime smo odredili kritičnu silu prilikom izvijanja promatrane konzole.
{8}

Bibliografija
[1] M. Alić, Obične diferencijalne jednadžbe, PMF - Matematički odjel, Zagreb, 2001.
[2] I. Alfirević, Nauka o čvrstoći I, Tehnička knjiga Zagreb, Zagreb, 1989.
[3] W.E. Boyce, R.C. DiPrima, Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, Seventh edition, John Wiley and Sons, Inc., New York, 2001.
[4] E.A. Coddington, R. Carlson, Linear ordinary differential equations, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 1997.
[5] S. Kalabušić, E. Pilav, Obične diferencijalne jednadžbe, Prvo izdanje, Univerzitet u Sarajevu-PMF, Sarajevo, 2014.
[6] M.N.O. Sadiku, Elements of Electromagnetics, Fourth edition, Oxford University Press, Oxford, 2006.
[7] M.V. Soare, P.P. Teodorescu, I. Toma, Ordinary Differential Equations with Aplications to Mechanics, Springer, Netherlands, 2007.

 

 

Share this