Edits to “Условие”, “Решение”, “Ответ”

Pandemotor edited
revision #13014 parent #13013 ← older newer →
@@ -1,44 +1,58 @@
### Условие
−$3.5.26.$ [Вставьте описание задачи]
+$3.5.26.$ а. Тело массы $m$, связанное с двух сторон пружинами со стенками, колеблется с частотой $\omega$ (см. рисунок к задаче 3.5.25). Определите амплитуду колебаний тела, если известно, что жесткость левой пружины $k$, а со стороны правой пружины на тело действует сила $F_{0}sin\omega t$.
−__Пример условия__:
−$1.1.1.$ Определите координату $x(t)$ тела как функцию времени $t$, если его ускорение задано как $a(t) = bt$, где $b$ - константа.
+б. Тело массы $m$, связанное со стенкой пружиной жесткости $k$, а справа жестко соединенное с другим телом, колеблется с частотой $\omega$ (см. рисунок к задаче 3.5.25). определите амплитуду колебаний этого тела, если известно, что со стороны второго тела на тело массы $m$ действует сила $F_{0}cos\omega t$.
### Решение
−[Здесь должно быть ваше решение]
+а.
−__Пример решения__:
−Ускорение тела задано как
+Запишем уравнение движения тела:
−$$a(t) = bt$$
+$$mx'' = -kx + F_{0}sin\omega t$$
−Мы знаем, что ускорение - это производная скорости по времени:
+Поделим выражение на массу и переобозначим $\frac{k}{m} = \omega_{0}^2$:
−$$a(t) = \frac{d v(t)}{d t}$$
+$$x'' + \omega_{0}^2x = \frac{F_{0}}{m} sin\omega t$$
−Чтобы найти скорость $v(t)$, интегрируем $a(t)$ по времени:
+Решением однородной (левой) части уравнения будет общеизвестное $x_{0}(t) = Bcos(\omega_{0}t + \phi)$. Однако это не единственное решение. Попробуем угадать его вторую часть.
−$$v(t) = \int a(t) \, dt = \int b t \, dt$$
+Для этого подумаем, в каком виде решение может быть. Понятно, что $sin\omega_{0} t$ нам не подходит, ведь он не всюду совпадает с функцией вынуждающей силы. Видно, что для того, чтобы всё сократилось, необходимо, чтобы в решении присутствовал $sin\omega t$ (ведь его можно будет вынести за скобки!). Таким образом, попробуем угадать зависимость координаты от времени в виде:
−Если начальная скорость $v(0) = 0$, то скорость становится:
+$$x_{1}(t) = Asin\omega t$$
−$$v(t) = \frac{b t^2}{2}$$
+Для этого найдем вторую производную по времени:
−Аналогично, интегрируем $v(t)$ по времени:
+$$x_{1}''(t) = -A \omega^2 sin\omega t$$
−$$x(t)= \int v(t) \, dt = \frac{b}{2} \int t^2 \, dt$$
+И подставим в уравнение движения:
−Откуда координата от времени, учитывая начальные условия:
+$$-A\omega^2 sin\omega t + A \omega_{0}^2sin\omega t = \frac{F_{0}}{m} sin\omega t$$
−$$\boxed{x(t)=\frac{bt^3}{6}}$$
+Видим, что наша идея сработала! Синус сокращается (выносится за скобки, если строго), и мы получаем следующующее выражение:
+$$A(\omega_{0}^2-\omega^2) = \frac{F_{0}}{m}$$
+
+Таким образом, получим:
+
+$$A = \frac{F_{0}}{m(\omega_{0}^2-\omega^2)}$$
+
+б. Решение этой части будет абсолютно аналогично предыдущему, с точностью до замены синуса на косинус в том моменте, где мы угадывали зависимость $x_{1}(t)$
+
#### Ответ
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке, например:]
+$$A = \frac{F_{0}}{m(\omega_{0}^2-\omega^2)}$$
−__Пример ответа__:
−$$ x(t)=\frac{bt^3}{6} $$
+#### Дополнение
+
+Идея решения этой задачи очень важна для дальнейшего изучения сложных колебаний. Закон движения тела в этом случае представляет собой неоднородное дифференциальное уравнение. Специфической особенностью неоднородных диффуров является то, что общее решение однородной части не есть полное решение. Полное решение будет суммой общего решения $x_{0}(t)$ и угаданного нами $x_{1}(t)$:
+
+$$x(t) = Bcos(\omega_{0}t + \phi) + \frac{F_{0}}{m(\omega_{0}^2-\omega^2)} sin\omega t$$
+
+Попробуйте найти вторую производную $x(t)$ и подставить ее в закон движения. Вы убедитесь, что найденное $x(t)$ полностью удовлетворяет второму закону Ньютона для частицы.
+
+Угадывание решений неоднородных диффуров - узаконеная практика (даже в математике!). Более того, угадав одно частное решение $x_{1}(t)$, мы можем быть уверены в том, что не существует других частных решений $x_{2}(t)$, $x_{3}(t)$..., которые не были бы вариацией уже существующих решений.
+