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)+an−1(x)y(n−1)(x)+⋯+a1(x)y′(x)+a0(x)y(x)=f(x),x∈I⊆R,
pri čemu su funkcije
f i
ai,
i=0,…n−1, neprekidne na danom otvorenom intervalu
I. Jednadžbu (
1) zovemo homogenom ako je
f≡0, odnosno nehomogenom ako je
f≠0. Ukoliko su uz jednadžbu zadani i početni uvjeti
(2)
y(x0)=y0,y′(x0)=y1,…,y(n−1)(x0)=yn−1,
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,…,cn∈R, pri čemu su
y1,y2,…,yn linearno nezavisna rješenja pripadne homogene diferencijalne jednadžbe
(3)
y(n)+an−1(x)yn−1+⋯+a1(x)y′+a0(x)y=0.
Skup
{y1,y2,…,yn} naziva se fundamentalni skup rješenja. Ukoliko su funkcije
ai,
i=0,…,n−1, 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
I⊆R otvoren, te
f∈C(I). Diferencijalnu jednadžbu
(4)
anxny(n)(x)+an−1xn−1y(n−1)(x)+⋯+a1xy′(x)+a0y(x)=f(x),
pri čemu su
ai∈R,an≠0,i=0,…,n, nazivamo Eulerova diferencijalna jednadžba
n-tog reda.
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)+(a1−a2)ddtY(t)+a0Y(t)=0.
Karakteristični polinom jednadžbe (10) glasi
(11)
P(λ)=a2λ2+(a1−a2)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, β≠0, 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,c2∈R.
Vraćanjem supstitucije dobivamo opće rješenje Eulerove diferencijalne jednadžbe (9),
y(x)=c1Y1(lnx)+c2Y2(lnx),c1,c2∈R.
Pretpostavimo sada da je x∈⟨−∞,0⟩. U tom slučaju x se može zamijeniti sa −x=|x| pa, za λ∈C , dobivamo sljedeći rezultat za rješenje homogene Eulerove diferencijalne jednadžbe [4].
Theorem 2.1 Neka su
λ1…λk različite nultočke karakterističnog polinoma (
7) jednadžbe
(12)
anxny(n)(x)+an−1xn−1y(n−1)(x)+⋯+a1xy′(x)+a0y(x)=0,
te
λj kratnosti
mj. Tada funkcije
pij, takve da je
(13)
pij=|x|λjln(|x|)i−1,i=1,…,mj,j=1,…,k,
čine fundamentalni skup rješenja jednadžbe (
12) na svakom intervalu koji ne sadrži
x=0.
Primijetimo da, ukoliko je
x∈⟨0,∞⟩, 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:I⊆R→R je analitička u
x0∈I ukoliko se može prikazati u obliku reda potencija
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)
(x−x0)q(x)p(x)i(x−x0)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,a0∈R, i
a2≠0. 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
(x−0)q(x)p(x)=a1a2i(x−0)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)=xr∞∑n=0An|x−x0|n,
za pogodno odabrani r i A0≠0, 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
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+n−1)+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 A0≠0, a koeficijent uz xλ
(a2λ(λ−1)+a1λ+a0)A0=0,
to slijedi
(20)
P(λ)=a2λ(λ−1)+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
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 λ1−λ2∉N0, onda je s
y2(x)=xλ2∞∑n=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+xλ2∞∑n=0Bnxn,
za y1 oblika (21), drugo Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (17) i ta dva rješenja su linearno nezavisna.
3) Ako je λ1=λ2+m, m∈N, onda, za rješenje y1 oblika (21), slijedi da je
y2(x)=Cy1(x)lnx+xλ2∞∑n=0Cnxn,C∈R
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)=λ2−1,
a njegove nultočke su λ1=1 i λ2=−1. Prema tome, jedno Frobeniusovo rješenje glasi
y1(x)=x∞∑n=0Anxn=∞∑n=0Anxn+1,
dok je drugo oblika
y2(x)=Cy1(x)lnx+∞∑n=0Cnxn−1,
jer je λ1=λ2+2. Odredimo najprije koeficijente An rješenja y1. Kako je
y′1(x)=∞∑n=0(n+1)Anxn,y″1(x)=∞∑n=0(n+1)nAnxn−1,
uvrštavanjem u jednadžbu (22) dobivamo
x2∞∑n=0(n+1)nAnxn−1+x∞∑n=0(n+1)Anxn−∞∑n=0Anxn+1=0,
to jest,
∞∑n=0(n2+2n)Anxn+1=0.
Iz gornje jednadžbe slijedi da je An=0, za svaki n∈N, pa je
y1(x)=A0x.
Nadalje, uvrštavanjem
y2(x)=CA0xlnx+∞∑n=0Cnxn−1,y′2(x)=CA0(lnx+1)+∞∑n=0(n−1)Cnxn−2,y″2(x)=CA01x+∞∑n=0(n−1)(n−2)Cnxn−3.
u jednadžbu (22) dobivamo
2CA0x+∞∑n=0(n−1)(n−2)Cnxn−1+∞∑n=0(n−1)Cnxn−1−∞∑n=0Cnxn−1=0,
što možemo zapisati kao
2CA0x+∞∑n=0(n2−2n)Cnxn−1=0.
Raspisivanjem koeficijenata uz potencije od x slijedi da su C i svi koeficijenti Cn, n∈N0, jednaki nuli, osim C0 i C2. Prema tome,
y2(x)=C01x+C2x.
Napomenimo i da jednadžbe oblika
(23)
a2(x−a)2y″(x)+a1(x−a)y′(x)+a0y(x)=0,
za neki a∈R, pripadaju Eulerovim diferencijalnim jednadžbama, s regularnom singularnom točkom x0=a. Ove jednadžbe rješavamo supstitucijom t=x−a, 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
pri čemu je S0 površina poprečnog presjeka štapa u točki x=0, a d>0 fiksan.
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+κS01d2λ−b=0,
a njegove nultočke su
λ1,2=−12±d2κS0√κ2S201d2+4κS0b.
Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju
D=κ2S201d2+4κS0b,p1=1−d√DκS0,p2=1+d√DκS0.
Kako je D>0 i t>0, prema Teoremu 11, fundamentalni sustav rješenja jednadžbe (26) čine funkcije
U1(t)=tλ1=t−p12,U2(t)=tλ2=t−p22.
Stoga je temperatura u svakoj točki promatranog štapa opisana funkcijom
u(x)=C1(1+xd)−p12+C2(1+xd)−p22,C1,C2∈R.
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,
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.
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,
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,C2∈R.
Iz pretpostavke da je potencijal u beskonačnosti jednak nuli slijedi
Φ(∞)=lim
a kako je površina sfere potencijala V_{s}, to je
\varPhi(R)=C_{2}\dfrac{1}{R}=V_{s}.
Dakle, C_{1}=0 i C_{2}=V_{s}R, pa je električni potencijal nabijene vodljive sfere dan formulom
\varPhi(r)=V_{s}R\dfrac{1}{r}.
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
\sigma_{r} vrijedi
\sigma_{r}(a)=-p i
\sigma_{r}(b)=0, gdje su
a i
b=2a polumjeri kružnog vijenca. Dodatno, pretpostavimo da je kutna brzina diska jednaka nuli.
Jednadžba ravnoteže dana je sa
\dfrac{d}{dr}[h(r)r\sigma_{r}]-h(r)\sigma_{\varphi}+h(r)\rho(r)\omega^{2}r^{2}=0,
pri čemu su \sigma_{r} i \sigma_{\varphi} radijalno i kružno naprezanje, h debljina diska, \rho gustoća materijala diska, a \omega kutna brzina diska oko uzdužne osi diska. Kako je disk homogen, konstantnog poprečnog presjeka, te je kutna brzina \omega jednaka nuli, gornja jednadžba postaje
(29)
\dfrac{d}{dr}[r\sigma_{r}]-\sigma_{\varphi}=0.
Nadalje, za radijalno i kružno naprezanje vrijede sljedeći zakoni ponašanja:
(30)
\sigma_{r}=\dfrac{E}{1-\nu^{2}}\left(\dfrac{d u}{d r}+\nu\dfrac{ u}{ r} \right),\, \sigma_{\varphi}=\dfrac{E}{1-\nu^{2}}\left(\dfrac{ u}{ r} +\nu\dfrac{d u}{d r}\right),
gdje je E Youngeov modul elastičnosti materijala, a \nu Poissonov koeficijent koji ovisi o vrsti materijala. Uvrštavanjem zakona ponašanja u jednadžbu (29) dobivamo
(31)
\begin{align} r^{2}\dfrac{d^{2} u}{d r^{2}}+ r\dfrac{d u}{d r}-u=0, \end{align}
što je upravo homogena Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Pripadni karakteristični polinom glasi P(\lambda)=\lambda^{2}-1, a nultočke su mu \lambda_{1}=1, i \lambda_{2}=-1. Prema Teoremu 11, rješenje jednadžbe (31) dano je s
\begin{align*} u(r)=C_{1}u_{1}(r)+C_{2}u_{2}(r)&=C_{1}r+C_{2}\dfrac{1}{r},\quad C_{1},C_{2}\in \mathbb{R}. \end{align*}
Konstante C_{1} i C_{2} lako dobivamo iz zakona ponašanja (30) i uvjeta \sigma_{r}(a)=-p i \sigma_{r}(b)=0, i vrijedi
C_{1}=\dfrac{(1-\nu)pa^{2}}{(b^{2}-a^{2})E},\,\, C_{2}=\dfrac{(1+\nu)pa^{2}b^{2}}{(b^{2}-a^{2})E}.
Stoga je radijalni pomak diska dan formulom
\begin{align*} u(r)&=\dfrac{(1-\nu)pa^{2}}{(b^{2}-a^{2})E}r+\dfrac{(1+\nu)pa^{2}b^{2}}{(b^{2}-a^{2})E}\dfrac{1}{r}. \end{align*}
3.4Konzola promjenjivog poprečnog presjeka
Za kraj, pronađimo kritičnu silu prilikom izvijanja konzole (štap rešetkaste strukture, eng. cantilever) promjenjivog momenta tromosti
I_{x}=I_{0}x^{2}a^{-2} opterećene silom
P kao na Slici
4.
Kritična sila je granična vrijednost tlačne sile kod koje dolazi do gubitka stabilnosti ravnoteže, a za konzolu vrijedi
P_{kr}=\dfrac{\pi^{2}EI_{0}}{l_{b}^{2}},
pri čemu je E Youngeov modul elastičnosti materijala konzole, a l_{b} 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
\begin{align*} EI_{x}\dfrac{d^{2}w}{d x^{2}}+Pw=0, \end{align*}
gdje je w progib konzole. Jedan kraj konzole je učvršen, a drugi slobodan pa su početni uvjeti w(a)=0 i \dfrac{dw}{dx}(a+l)=0. Uzimajući u obzir izraz za I_{x}, diferencijalna jednadžba glasi
(32)
\begin{align} x^{2}\dfrac{d^{2}w}{d x^{2}}+\dfrac{Pa^{2}}{EI_{0}}w=0, \end{align}
što je Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Nultočke karakterističnog polinoma P(\lambda)=\lambda^{2}-\lambda+\dfrac{Pa^{2}}{EI_{0}} jednadžbe (32) su
\lambda_{1,2}=\dfrac{1}{2}\pm i\sqrt{\dfrac{Pa^{2}}{EI_{0}}-\dfrac{1}{4}}.
Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju B=\sqrt{\dfrac{Pa^{2}}{EI_{0}}-\dfrac{1}{4}}. Primjenom Teorema 11, opće rješenje jednadžbe (32) glasi
\begin{align*} w(x)=C_{1}\sqrt{x}\cos(B\ln x)+C_{2}\sqrt{x}\sin(B \ln x),\quad C_{1},C_{2}\in \mathbb{R}. \end{align*}
Može se pokazati da prethodno rješenje ima ekvivalentni zapis oblika
\begin{align*} w(x)&=C_{1}\sqrt{\dfrac{x}{a}}\cos\left(B\ln \dfrac{x}{a}\right)+C_{2}\sqrt{\dfrac{x}{a}}\sin\left(B \ln \dfrac{x}{a}\right),\quad C_{1},C_{2}\in \mathbb{R}, \end{align*}
koji ćemo iskoristiti kako bismo odredili kritičnu silu. Iz uvjeta w(a)=0 slijedi C_{1}=0, dok iz uvjeta w'(a+l)=0 dobivamo
\tan\left(B\ln\left(\dfrac{a+l}{a}\right)\right)C_{2}+2BC_{2}=0.
Kako ne želimo trivijalno rješenje w=0, smatramo da je C_{2}\neq0 pa je
\tan\left(B\ln\left(\dfrac{a+l}{a}\right)\right)+2B=0.
Ukoliko poznajemo vrijednosti l i a, numeričkim metodama možemo odrediti minimalni B što ćemo označiti sa B_{kr}. Tada je
\dfrac{EI_{0}}{a^{2}}\left(B_{kr}^{2}+\dfrac{1}{4}\right)= \dfrac{EI_{0}}{a^{2}}\left(\dfrac{P_{kr}a^{2}}{EI_{0}}-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}\right)=P_{kr},
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. |