¿Existe un modelo físico descrito por esta ecuación? (ecuación de onda amortiguada vectorial)

Considere la ecuación de onda t 2 tu ( t , X ) Δ tu ( t , X ) = 0 dónde t R es la variable tiempo y X Ω (un bonito subconjunto abierto de R norte ) es la variable de espacio. Si Ω el límite de Ω no está vacío ( es decir, si Ω R ) sumamos la condición de frontera tu | Ω = 0 . Cuando tu tiene un valor real (o complejo) esta es la ecuación de onda estándar de un tambor o una cuerda vibrante.

Si arreglo una función suave a : Ω R + entonces la ecuacion

t 2 tu ( t , X ) Δ tu ( t , X ) + a ( X ) t tu ( t , X ) = 0 tu | Ω = 0
se llama ecuación de onda amortiguada. De hecho, si definimos la energía de una solución tu como energía cinética más energía potencial ( mi ( tu , t ) = 1 2 Ω | t tu ( t , X ) | 2 + | tu ( t , X ) | 2 d X ) una integración por partes muestra que la variación de energía viene dada por la fórmula
d d t mi ( tu , t )   =   Ω a ( X ) t tu ( t , X ) ,   t tu ( t , X ) d X
y así el término a juegan el papel de un mecanismo amortiguador.

Ahora la ecuación que me interesa es la versión vectorial de la ecuación de onda amortiguada. si tomo tu ( t , X ) = ( tu 1 ( t , X ) , , tu norte ( t , X ) ) ser de valor vectorial y a = ( a i , j ) una función matricial mi ecuación se convierte en el siguiente sistema de ecuaciones

t 2 tu i ( t , X ) Δ tu i ( t , X ) + j = 1 norte a i , j ( X ) t tu j ( t , X ) = 0 , i = 1 , , norte
o de manera equivalente, utilizando el producto matriz y aplicando t y Δ componente por componente
t 2 tu ( t , X ) Δ tu ( t , X ) + a ( X ) t tu ( t , X )   =   0 .

Si añadimos la condición de que a ( X ) debe ser hermitiano positivo para cada X luego, usando la fórmula para la variación de la energía, vemos que la energía sigue disminuyendo.

MI PREGUNTA : ¿Existe un modelo físico descrito por esta ecuación? Sé que la ecuación de onda y la ecuación de onda escalar amortiguada pueden describir las vibraciones de una cuerda o un tambor. También sé que las ondas sísmicas sí vibran en varias dimensiones pero están modeladas por otra ecuación, lo mismo ocurre con las ondas electromagnéticas que están modeladas por las ecuaciones de Maxwell. Entonces, ¿mi modelo de ecuación es algo real?

Mi ecuación proviene de una generalización puramente matemática de la ecuación de onda amortiguada escalar, pero me preguntaba si correspondía a algo existente en la física.

OP parece intentar incluir amortiguación/disipación. Para formulaciones lagrangianas y hamiltonianas con amortiguación/disipación, consulte, por ejemplo, esta publicación de Phys.SE y los enlaces que contiene.
Lo siento, pero no veo cómo esto se relaciona con mi pregunta. Soy estudiante de matemáticas y solo tengo un conocimiento muy básico de física, por lo que esto no me ayuda a ver la conexión aquí.
Sí, @AccidentalFourierTransform. Obtiene la ecuación del telégrafo directamente de Maxwell en un medio conductor (asumiendo la ley de Ohm). Las soluciones muestran una mezcla de transporte difusivo y balístico.

Respuestas (1)

El caso isotrópico (cuando la matriz a es un múltiplo de la identidad) describe muchos ejemplos, por ejemplo, el movimiento de una cuerda en un medio que causa fricción o la corriente eléctrica en una línea de transmisión (como se menciona en los comentarios).

El caso anisotrópico es el que le interesa, si lo entiendo correctamente. Un ejemplo sería un medio con conductividad anisotrópica. La ecuación de onda electromagnética en presencia de fuentes es

(1) 1 C 2 2 mi t 2 2 mi = 1 ϵ 0 ρ m 0 j t
Un conductor anisótropo tiene j = σ mi dónde σ es el tensor de conductividad, entonces ( 1 ) se reduce a su ecuación menos un término forzado. Creo que esta ecuación se usa, entre otras cosas, para describir la propagación de ondas en un plasma.