Afleiding van de algemene golfvergelijking

Leid de algemene golfvergelijking af.
Stel ik heb een touw, en dat touw is aan beide uiteinden vastgebonden. Ik zorg dat het touw flink strak staat en daardoor werkt er een kracht op het touw (lees: in het touw) ter grootte van F. Vervolgens pak ik het touw ergens vast, ik geef het een uitwijking in verticale richting en vervolgens laat ik het weer los. De verticale uitwijking zal zich nu in horizontale richting door het touw gaan verplaatsen, als golfbeweging, en dat aspect gaan we nader onderzoeken. Ik zoom in op een heel klein stukje van het touw:
Grafiek
Voor de helling van het touw geldt:
Vergelijking
De helling van het touw bij x1 is:
Vergelijking
En de helling van het touw bij x2 is:
Vergelijking
Het verschil tussen beide hellingen is:
Vergelijking
Voor kleine verticale uitwijkingen geldt dat tangens φ (nagenoeg) gelijk is aan sinus φ (en mocht de verticale uitwijking niet klein zijn, dan roteer ik simpelweg mijn assenstelsel zodanig dat de verticale uitwijking wel klein is):
Vergelijking
En F1 = F2 = F, want het gaat in de noemers van vergelijking (5) puur om de grootte van die krachten en niet om de richting (en ik verwaarloos de wrijving). Vergelijking (5) wordt dan:
Vergelijking
In het geval dat x2 nadert naar x1 gaat vergelijking (6) over in:
Vergelijking
Hetgeen ik ook kan schrijven als:
Vergelijking
Newton
Newton

Vervolgens ga ik Newton’s wet F = ma toepassen:

Vergelijking

Ik introduceer ρ als massadichtheid van het touw:
Vergelijking
Tenslotte differentieer ik deze vergelijking naar de tijd:
Vergelijking
Zoals gezegd verwaarloos ik de wrijving, dus F = constant, en ik ga er ook van uit dat het touw zijn vorm behoudt en dat daarmee de massadichtheid ρ constant is. Het quotiënt van beide is dan uiteraard ook constant en dat quotiënt noem ik K:
Vergelijking
In vergelijking (12) is vy de snelheid van het touw in de y-richting en deze grootheid ga ik veralgemeniseren en vervolgens buiten haakjes brengen:
Vergelijking
Die tweede afgeleide naar x kan ik middels de nabla-operator veralgemeniseren naar drie dimensies:
Vergelijking
D’Alembert
D’Alembert

En met behulp van d’Alembertiaan kan ik dit nog compacter opschrijven als volgt:

Vergelijking

Zee

Ziehier de algemene golfvergelijking:

Vergelijking