Jedna ściana i trzy masy: sprawdź rzeczywisty warunek swobodnego końca
Trzy masy po 0,20 kg łączą trzy sprężyny o K = 20 N/m: jedna między lewą ścianą i pierwszą masą oraz dwie między sąsiadami. Po prawej nie ma ściany ani dodatkowej sprężyny. Wyznacz wszystkie częstości kołowe. Dla najniższego modu przyjmij Aj = C sin(jπ/7) i C = 0,020 m. Oblicz trzy amplitudy ze znakiem oraz siłę wypadkową na ostatnią masę przy wspólnym czynniku czasowym cos(ω₁t) = 1. Sprawdź równanie tej masy i wyjaśnij, dlaczego A₃ = 0 byłoby niewłaściwym warunkiem.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Lewy warunek to A₀ = 0, prawy A₄ = A₃. Dla ostatniej rzeczywistej masy działa tylko siła K(A₂ − A₃). Porównaj ją z −mω₁²A₃, nie z zerem.
Rozwiązanie
1. Kwantowanie kształtu przez różne końce
Dla N = 3 kąty θr = (2r − 1)π/7 mają wartości π/7, 3π/7 i 5π/7. Stąd:
\omega_1=20\sin\frac\pi{14}\approx4{,}450\ \mathrm{rad/s},\quad\omega_2=20\sin\frac{3\pi}{14}\approx12{,}470\ \mathrm{rad/s},\quad\omega_3=20\sin\frac{5\pi}{14}\approx18{,}019\ \mathrm{rad/s}.
Wszystkie częstości są dodatnie. Jedna ściana wystarcza, aby wspólne przesunięcie całego łańcucha odkształcało sprężynę i przestało być swobodną translacją. Nie używamy tu listy dla dwóch ścian ani dla dwóch swobodnych końców.
2. Amplitudy najniższego modu
sin(π/7) ≈ 0,433884, sin(2π/7) ≈ 0,781831 i sin(3π/7) ≈ 0,974928. Mnożenie przez C = 0,020 m daje A₁ ≈ 0,008678 m, A₂ ≈ 0,015637 m i A₃ ≈ 0,019499 m. Wszystkie trzy wychylenia są w tej chwili dodatnie, lecz nie jednakowe.
3. Swobodny koniec nadal przyspiesza
Na ostatnią masę działa jedna sprężyna. Jej siła wynosi K(A₂ − A₃) = 20·0,020[sin(2π/7) − sin(3π/7)] ≈ −0,077239 N. Skierowana jest w lewo, czyli przeciwnie do dodatniego wychylenia ostatniej masy.
Sprawdzenie z ω₁ = 20 sin(π/14) daje −mω₁²A₃ ≈ −0,077239 N, tę samą wartość. Dodatkowo sin(4π/7) = sin(3π/7), więc pomocnicze A₄ jest równe A₃ i nie wnosi prawej siły.
Warunek A₃ = 0 unieruchomiłby trzecią masę i zmienił układ. Swobodny koniec oznacza brak prawego połączenia ze ścianą, a nie zakaz ruchu i nie zerową wypadkową siłę na masę.
Powiązana teoria
Swobodne i mieszane końce łańcucha: drgania oraz ruch środka masy
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto