7.4.19∗. Два заряда поместили на расстоянии $l$ друг от друга и отпустили. Через время $t_0$ расстояние между зарядами удвоилось. Эти же заряды поместили на расстоянии $3l$ и отпустили. Через какое время расстояние между зарядами удвоится?
Решение
Разобьём пкркмещения шариков в обоих случмях на участки так, чтобы относительные перемещения были и в первом, и во втором случае одинаков. Относительное перемещение: $k = \frac{x}{x_0}$. Начальное расстояние $2x_0$, конечное - $2x$.
Если $k$ изменилось на $\Delta k$, то $\Delta x = \Delta kx_0$. Для первого случая $\Delta x_1 = \Delta k \frac{l}{2}$ ($2x_0 = l$), для второго - $\Delta x_2 = \Delta k \frac{3l}{2}$ ($2x_0 = 3l$). Тогда их отношение равно: $$\frac{\Delta x_2}{\Delta x_1} = 3$$ Найдём отношения средних скоростей в конце в обоих случаях. Закон сохранения энергии для системы. $$mv^2 + k\frac{q^2}{2x} = k\frac{q^2}{2x_0}$$ Тогда скорость: $$v = \sqrt{k\frac{q^2}{m}(\frac{x - x_0}{xx_0})} = \sqrt{k\frac{q^2}{m}(\frac{k-1}{kx_0})}$$ Отношение скоростей в первом и во втором случаях: $$\frac{v_1}{v_2} = \sqrt{3}$$ Если $k$ изменится на $\Delta k$, то верно отношение для средних скоростей: $$\frac{v_{ср1}}{v_{ср2}} = \sqrt{3}$$ Время определяется: $$t = \frac{\Delta x}{v_{ср}}$$ Тогда: $$\frac{t_1}{t_0} = \frac{\Delta x_2v_{ср1}}{\Delta x_1v_{ср2}} = 3\sqrt{3} \quad \Rightarrow \quad t_1 = 3\sqrt{3}t_0$$
Альтернативное решение
Решим задачу методом размерностей. Предположим, что время зависит от расстояния, от массы, от заряда и постоянной в законе Кулона. Размерности величин: $$dim \ t = T$$ $$dim \ m = M$$ $$dim \ l = L$$ $$dim \ q = IT$$ $$dim \ k = ML^3T^{-4}I^{-2}$$ Для упрощения: $$dim \ kq^2 = ML^3T^{-2}$$ Запишем зависимость: $$t = C\cdot l^x \cdot m^y \cdot (kq^2)^z \quad \Rightarrow \quad T = C\cdot L^x \cdot M^y \cdot (ML^3T^{-2})^z$$ где $C$ - безразмерная константа. Найдём степени: $$-2z = 1$$ $$y + z = 0$$ $$x + 3z = 0$$ Решая систему, получаем: $x = \frac{3}{2}$,$y = \frac{1}{2}$,$z = -\frac{1}{2}$. Тогда зависимость принимает вид: $$t = C\sqrt{\frac{m}{kq^2}}\cdot l^{\frac{3}{2}}$$ Найдём отношение начальных и конечных условий: $$\frac{t_1}{t_0} = (\frac{3l}{l})^{\frac{3}{2}} = 3\sqrt3$$ Получаем ответ: $$t_1 = 3\sqrt{3}t_0$$