The solution before revision #13899 of . This is not the current version.

Условие

2.5.9∗. Бусинки массы , , могут скользить вдоль горизонтальной спицы без трения, причем и . Определить максимальные скорости крайних бусинок, если вначале они покоились, а средняя бусинка имела скорость Удары упругие.

К задаче $2.5.9$
К задаче

Решение

Анализ ситуации

Каждое столкновение шара 2 с шарами 1 и 3 будет увеличивать скорость крайних шаров: при столкновениях «подталкивающие» силы, действующие на соответствующие крайние шары, направлены к соответствующим «концам» спицы. Можно ясно показать, что из условий и следует, что первое и последующие столкновения изменяют скорости крайних шаров на очень малую величину [1]. Так, можно считать, что число столкновений велико и крайние шары разгоняются плавно.

Столкновения шаров прекратятся, когда легкий шар 2 после «раздачи» своей кинетической энергии уже не сможет догнать какой-то из крайних шаров: то есть, когда скорость шара 2 вследствие снижения станет равной скорости очередного догоняемого крайнего шара. После прекращения соударений крайние шары, естественно, не получают приращений скорости; следовательно, они достигли своих максимальных скоростей.

Пусть легкий шар 2 после прекращения столкновений движется за шаром 3 (их скорости сравнялись). Запишем систему уравнений на основе законов сохранения энергии и импульса:

где и есть скорости шаров 1 и 3 в конце.

Можно видеть, что и , поэтому составленную систему уравнений можно упростить так:

Не сложно показать, что, если шар 2 в конце двигается за шаром 1 (их скорости равны), то после упрощений мы получаем такую же систему уравнений .

Совместное решение уравнений системы стандартными путями получается громоздким, но для ясности и наглядности мы его покажем в довольно подробном виде. Полезность дальнейшего подробного решения состоит в том, что мы покажем очень значимые эффективные математические упрощения.

Решение системы уравнений

Итак, освобождаем второе уравнение от знаменателей, оставляем в обоих уравнениях слагаемые с справа, возводим в квадрат первое уравнение:

Делим первое уравнение этой системы на второе:

Приводим это к квадратному уравнению относительно неизвестной . C условием малости массы получаем приблизительное уравнение:

Аккуратно находим, что допустимый корень этого уравнения () можно записать, например, в таком виде после сокращений

где .

Тут, с учетом , избавляемся от отрицательного слагаемого; также вносим под корень знаменатель положительного слагаемого:

Подкореное выражение запишем в виде суммы дробей:

Здесь , что избавляет от первого слагаемого под корнем:

Упрощения этого выражения дают

(здесь учтено ).

Вид результата для скорости тела 1 наводит на мысль о симметричном результате для скорости тела 2 при заменах

в формуле . О том, как «эффектна» симметрия при решении задач физики, см. в статье [2].

Действительно, ведь после первого столкновения шара 2, например, с покоящимся тяжелым шаром 3, шар 2 отскакивает от шара 3 практически с той же скоростью, с какой и приближался к нему [3]. Значит, перед вторым столкновением шар 2 налетает на шар 1 почти с той же начальной скоростью . Меняя местами шары 1 и 3, получаем справедливо

Литература

[1] С. Кротов. «Задачи на столкновения тел». В: Квант 12 (1980).

[2] Л. Тарасов. «Симметрия в задачах по физике». В: Квант 6 (1978).

[3] И. Белкин. «Столкновения тел». В: Квант 4 (1984).

Ответ

, .