3.3.26∗. [Пусть в условии задачи 3.3.25∗ начальная скорость груза нулевая, а коэффициент трения равен µ. При какой скорости ленты движение груза будет гармоническим колебанием? Как зависит амплитуда установившихся колебаний от скорости ленты u?]
Решение
Второй закон Ньютона для груза: $$m\ddot{x} = -kx + \mu mg$$
Разделим на массу $m$, чтобы выразить ускорение: $$\ddot{x} = -\frac{k}{m}x + \mu g$$
Введем замену переменной для приведения к уравнению гармонических колебаний вида $\ddot{\varphi} + \frac{k}{m}\varphi = 0$, откуда циклическая частота: $$\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$$
Общий вид решения для $\varphi$: $$\varphi = A\cos(\omega t + \alpha)$$
Возвращаясь к переменной $x$, получаем: $$\frac{k}{m}x - \mu g = A\cos(\omega t + \alpha)$$
Возьмем производную по времени для нахождения скорости $\dot{x}$: $$\frac{k}{m}\dot{x} = -A\omega\sin(\omega t + \alpha)$$
Известно, что начальная скорость равна нулю: $$\dot{x}(0) = 0 \implies \sin\alpha = 0 \implies \alpha = 0$$
Также начальная координата равна нулю: $$x(0) = 0$$
Подставим $t=0$,$\alpha=0$ и $x=0$ в уравнение для координаты: $$\frac{k}{m}(0) - \mu g = A\cos(0) \implies A = -\mu g$$
Подставим найденные $A$ и $\alpha$ обратно в уравнение: $$\frac{k}{m}x - \mu g = -\mu g \cos(\omega t)$$