La ecuación de onda es una importante ecuación diferencial en derivadas parciales lineal de segundo orden que describe la propagación de una variedad de ondas, como las ondas sonoras, las ondas de luz y las ondas en el agua. Es importante en varios campos como la acústica, el electromagnetismo, la mecánica cuántica y la dinámica de fluidos. Históricamente, el problema de una cuerda vibrante como las que están en los instrumentos musicales fue estudiado por Jean le Rond d'Alembert (1746) por primera vez, Leonhard Euler (1748), Daniel Bernoulli (1753) y Joseph-Louis Lagrange (1759). Se hallaron soluciones en diversas formas que ocasionaron discusiones por más de veinticinco años. Las disputas aún se resolvieron en el .Boyce/ Di Prima: " Ecuaciones diferenciales y problemas con valores en la frontera" ISBN 968-18-0107-5 pág. 585 derecha|miniatura|250px|Un pulso que viaja a través de una cuerda con sus extremos fijos es modelado por la ecuación de onda. derecha|Las ondas esféricas provienen de una fuente puntual.
Introducción La ecuación de onda es el ejemplo prototipo de una ecuación hiperbólica en derivadas parciales. La ecuación de onda escalar hace referencia a la variación de una función escalar dependiente del tiempo y de una o más variables espaciales . La cantidad puede ser, por ejemplo, una variación de presión del medio en el que se propaga la onda; también puede ser el desplazamiento, respecto a sus posiciones de equilibrio, de las partículas del gas, líquido o sólido al propagarse la onda. La función satisface:
Donde es el laplaciano y donde es una constante que representa la velocidad de propagación de la onda. Para una onda sonora en el aire a 20 °C, esta constante es de cerca de 343 m/s (véase velocidad del sonido). Para una cuerda vibrante, la velocidad puede variar mucho dependiendo de la densidad lineal de la cuerda y su tensión. Para un resorte de espiral (un Slinky) puede ser tan lento como un metro por segundo.
Un modelo más realista de la ecuación diferencial para ondas permite que la velocidad de propagación de la onda varíe con la frecuencia de la onda, a este fenómeno se le conoce como dispersión. En este caso, deberá ser remplazado por la velocidad de fase:
Otra corrección común en sistemas realistas es que la velocidad puede depender también de la amplitud de la onda, lo que nos lleva a una ecuación de onda no lineal:
También hay que considerar que una onda puede ser transmitida en un portador móvil (por ejemplo, la propagación del sonido en el flujo de un gas). En tal caso el escalar u contendrá un número Mach (el cual es positivo para la onda que se mueva a lo largo del flujo y negativo para la onda reflejada).
La ecuación de onda elástica en tres dimensiones describe la propagación de onda en un medio elástico homogéneo isótropo. La mayoría de los materiales sólidos son elásticos, por lo que esa ecuación describe fenómenos tales como ondas sísmicas en la Tierra y las ondas de ultrasonido usadas para determinar defectos en los materiales. Aunque sea lineal, esta ecuación tiene una forma más compleja que las ecuaciones dadas arriba, porque debe tomar en cuenta los movimientos longitudinales y transversales:
Donde:
y son los supuestos parámetros de Lamé que describen las propiedades elásticas del medio. es la densidad, es la función de entrada (fuerza motriz), y es el desplazamiento. Note que en esta ecuación, la fuerza y el desplazamiento son cantidades vectoriales. Esta ecuación es conocida a veces como la ecuación de onda vectorial.
Hay variaciones de la ecuación de onda que también pueden ser encontradas en mecánica cuántica y relatividad general.
Ecuación de onda escalar en un espacio de una sola dimensión
Obtención de la ecuación de onda
De la ley de Hooke La ecuación de onda en el caso de una sola dimensión puede ser obtenida de la Ley de Hooke de la siguiente manera: imagine una serie de pequeños pesos de masa , interconectados por resortes de masa despreciable de longitud . Los resortes tienen una rigidez de : Archivo:Array of masses.svg
Aquí mide la distancia en equilibrio de la masa situada en . La segunda ley de Newton aplicada sobre la masa en el lugar establece que:
La fuerza aplicada en este caso está dada por la ley de Hooke:
La ecuación de movimiento para la masa en el lugar resulta:
donde la dependencia con el tiempo de se hace explícita.
Si la serie de pesos consiste en pesos espaciados uniformemente a lo largo de de la masa total , y la rigidez total de la serie podemos escribir la ecuación anterior como:
Tomando el límite (y suponiendo que es suave) se consigue:
es el cuadrado de la velocidad de propagación en este caso particular.
Solución del problema de valor inicial
La solución general de la ecuación de onda escalar unidimensional
fue obtenida por d'Alembert. La ecuación de onda puede ser escrita de una forma factorizada:
Por consiguiente, si F y G son funciones arbitrarias, cualquier suma de la forma
satisfará la ecuación de onda. Los dos términos son ondas viajeras: cualquier punto de la forma de onda dada por un argumento específico ya sea F o G se moverá con velocidad c ya sea hacia el frente o hacia atrás: hacia el frente para F y hacia atrás para G, estas funciones pueden ser determinadas para satisfacer condiciones iniciales arbitrarias:
El resultado es la fórmula de d'Alembert:
En el sentido clásico, si y entonces . Sin embargo, las formas de onda F y G también pueden ser generalizadas, tales como la función delta. En ese caso, la solución puede ser interpretada como un impulso que viaja hacia la derecha o hacia la izquierda.
La ecuación de onda básica es una ecuación diferencial lineal la cual establece que la amplitud de las dos ondas que interactúan es simplemente la suma de las ondas. Esto también significa que el comportamiento de una onda se puede analizar al dividir la onda en sus componentes. La transformada de Fourier divide una onda sinusoidal en su componentes y es útil para el análisis de la ecuación de onda.
La ecuación de onda escalar en un espacio de tres dimensiones La solución del problema de valor inicial para la ecuación de onda en el espacio de tres dimensiones puede ser obtenida de la solución para una onda esférica. Este resultado puede utilizarse para obtener la solución en el espacio de dos dimensiones.
Ondas esféricas
La ecuación de onda no se modifica al rotar las coordenadas espaciales, y por lo tanto uno puede esperar encontrar soluciones que dependan solo de la distancia radial a un punto dado. Estas soluciones deberán cumplir
Esta ecuación puede ser reescrita como
la cantidad ru cumple con la ecuación del onda de una sola dimensión. Por lo tanto, hay soluciones en la forma
donde F y G son funciones arbitrarias. Cada término puede ser interpretado como una onda esférica que se expande o contrae a una velocidad c. Tales ondas son generadas por una fuente puntual y hacen posible señales agudas cuya forma solo se altera por una disminución en la amplitud cuando r aumenta (véase la ilustración de una onda esférica en la parte superior derecha). Tales ondas solo existen en casos de espacios con dimensiones impares. Afortunadamente, vivimos en un mundo que tiene un espacio de tres dimensiones, de forma que podemos comunicarnos claramente con ondas acústicas y electromagnéticas.
Solución de un problema de valor inicial general La ecuación de onda es lineal en u y se mantiene inalterada en las traslaciones en el espacio y el tiempo. Por lo tanto, podemos generar una gran variedad de soluciones al trasladar y asumir ondas esféricas. Hagamos que φ(ξ,η,ζ) sea una función arbitraria de tres variables independientes, y hagamos que la forma de onda esférica F sea una función delta: es decir, dejemos que F sea un pequeño límite de función continua cuya integral sea la unidad, pero cuyo apoyo (la región donde la función es distinta de cero) se reduce al origen. Hagamos que una familia de ondas esféricas tengan su centro en (ξ,η,ζ) y hagamos que r sea la distancia radial a partir de ese punto. Así
Si u es una superposición de tales ondas con función de ponderación φ, entonces
el denominador 4πc es colocado por conveniencia.
De la definición de la función delta, u también se puede escribir como
donde α, β, y γ son coordenadas en la unidad esférica S y ω es el elemento en S. Este resultado tiene la interpretación de que u(t,x) es t veces el valor medio de φ en una esfera de radio ct centrada en x:
De ello se deduce que
El valor medio es aun una función de t, y por lo tanto si
entonces
Estas fórmulas proporcionan la solución para el problema de valor inicial de la ecuación de onda. Estas muestran que la solución en un punto dado P, dando (t, x, y, z) sólo depende de la información en el esfera de radio ct que es intersecada por el cono de luz dibujado desde P. La solución no depende de la información en el interior de esta esfera. Así pues, el interior de la esfera es una laguna para la solución. Este fenómeno es llamado principio de Huygens. Esto es cierto para números impares de dimensiones de espacio, donde para una dimensión la integración es realizada a través de la frontera de un intervalo de w.r.t. la medida de Dirac. Esto no se satisface en cualquier otro número de dimensiones de espacio. El fenómeno de las lagunas se ha investigado ampliamente en Atiyah, Bott y Gårding (1970, 1973).
Ecuación de onda escalar en un espacio de dos dimensiones En un espacio de dos dimensiones, la ecuación de onda es
Podemos utilizar la teoría tridimensional para resolver este problema si consideramos a u como una función de tres dimensiones que es independiente de la tercera dimensión. Si
entonces la fórmula de la solución en tres dimensiones se convierte en
donde α y β son las dos primeras coordenadas en la unidad esférica, y dω es el elemento de área en la esfera. Esta integral puede ser reescrita como una integral sobre el disco D con centro en (x,y) y radio ct:
Es evidente que la solución en (t,x,y) dependa no solo de la información en el cono de luz donde
sino también de la información que está en el interior de ese cono.
Problemas con fronteras
En el espacio de una sola dimensión Una cadena flexible que se estira entre dos puntos x=0 y x=L satisface la ecuación de onda, para t>0 y 0 < x < L. En los puntos fronterizos, u puede satisfacer una variedad de condiciones de frontera. Una forma general que es apropiada para aplicaciones es
donde a y b no son negativos. El caso en donde se requiere que u desaparezca en un punto final es en el límite de esta condición cuando los respectivos a o b se aproximan al infinito. El método de separación de variables consiste en la búsqueda de soluciones para este problema en la forma espacial
Una consecuencia es que
El valor propio λ debe ser determinado de manera que exista una solución no trivial del problema del valor de frontera
Este es un caso especial del problema general de la teoría de Sturm-Liouville. Si a y b son positivos, los valores propios son todos positivos y las soluciones serán las funciones trigonométricas. Una solución que satisface la condición inicial integrable al cuadrado para u y ut puede ser obtenida a partir de la expansión de estas funciones en las serie trigonométricas apropiadas.
En un espacio de varias dimensiones derecha|miniatura|220px|Una solución de la ecuación de onda en dos dimensiones con una condición de frontera de cero desplazamiento a lo largo de todo el borde exterior. La teoría del valor de frontera inicial unidimensional puede ampliarse a un número arbitrario de dimensiones espaciales. Considere un dominio D en un espacio x de m dimensiones, con frontera B. Entonces la ecuación de onda será satisfecha si x está en D y . En la frontera B, la solución u deberá satisfacer