Условие
3.4.13∗ . Пусть концы пружины (см. задачу $3.4.12$ ) перемещаются с разной частотой:
$$x_1 = A\cos\omega_1 t,\quad x_2 = A\cos\omega_2 t.$$
Как в этом случае меняется сила натяжения пружины со временем? Постройте график зависимости силы натяжения от времени в случае близких частот. Почему здесь можно говорить о биениях? Определите в случае неравных амплитуд и частот среднюю энергию пружины за большое время.
Решение
По результатам задачи $3.4.12$ :
$$F=k\left(x_2-x_1\right),$$
что по тригонометрии
$$\cos\alpha-\cos\beta=2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\beta-\alpha}{2}$$
дает
$$F=2kA\sin\left(\frac{\omega_1-\omega_2}{2}t\right)\sin\left(\frac{\omega_2+\omega_1}{2}t\right).$$
График зависимости силы натяжения от времени в случае близких частот:
Можно говорить о биениях, так как амплитуда колеблющейся функции меняется периодически.
Закон для энергии
$$E=\frac{k}{2}\left[A_2\cos(\omega_2 t)-A_1\cos(\omega_1 t)\right]^2.\tag{1}$$
Среднее значение $\langle E\rangle$ за большое время (для удобства можно считать при времени $t\to\infty$ ) есть среднее правой части формулы $(1)$ . Правую часть разложим на слагаемые раскрытием квадрата и применим свойство, что среднее суммы равно сумме средних.
$$\langle E\rangle=\langle E_1\rangle+\langle E_2\rangle+\langle E_3\rangle,$$
где $\langle E_1\rangle,\langle E_1\rangle,\langle E_1\rangle$ есть слагаемые правой части $(2)$ после раскрытия квадрата.
Первое слагаемое:
$$\langle E_1\rangle=\langle\frac{k}{2}A_2^2\cos^2(\omega_2 t)\rangle$$
равно
$$\boxed{\langle E_1\rangle=\frac{k}{2}A_2^2\frac{1}{2}}$$
(использовали, что среднее значение косинуса в квадрате равно $1/2$ ).
Второе слагаемое:
$$\langle E_2\rangle=\langle kA_2\cos(\omega_2 t)A_1\cos(\omega_1 t)\rangle$$
преобразуем с использованием тригонометрической формулы
$$2\cos\alpha\cos\beta=\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)$$
в
$$\langle E_2\rangle=\langle\frac{k}{2}A_2A_1\left[\cos\big((\omega_2+\omega_1)t\big)+\cos\big((\omega_2-\omega_1)t\big)\right]\rangle.$$
Оно равно
$$\boxed{\langle E_2\rangle=0.}$$
(использовали свойство среднего суммы и что среднее значение косинуса равно $0$ ).
Третье слагаемое:
$$\langle E_3\rangle=\langle\frac{k}{2}A_1^2\cos^2(\omega_1 t)\rangle$$
равно
$$\boxed{\langle E_3\rangle=\frac{k}{2}A_1^2\frac{1}{2}}$$
(использовали, что среднее значение косинуса в квадрате равно $1/2$ ).
В итоге сложим слагаемые энергии в рамках в ответ
$$\langle E\rangle=\frac{k}{4}[A_1^2+A_2^2].$$
Литература
[1] И. Яковлев. Среднее значение функции. Материалы по физике. mathus.ru.
[2] Зельдович Я.Б. Высшая математика для начинающих физиков и техников. ИТФ Ландау. 1982.
[3] Г.Я. Мякишев. Расчёт цепей переменного тока с помощью векторных диаграмм. «Квант», 1976, №2.
[4] И. Яковлев. Векторы в физике. mathus.ru.
[5] И. Яковлев. Тригонометрические формулы. mathus.ru.
Ответ
$$F=2kA\sin\left(\frac{\omega_1-\omega_2}{2}t\right)\sin\left(\frac{\omega_2+\omega_1}{2}t\right).$$
Можно говорить о биениях, так как амплитуда колеблющейся функции меняется периодически.
$$\langle E\rangle=\frac{k}{4}[A_1^2+A_2^2].$$