The solution at revision #19723 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

3.5.23. Приведите пример системы, в которой воздействие со стороны одной
части ее на другую описывается силой, меняющейся со временем гармонически.

Решение

В качестве примера рассмотрим классическую механическую систему: горизонтальный пружинный маятник, прикрепленный к неподвижной стене.

Система состоит из трех элементов: неподвижной стены (опоры), пружины жесткостью и груза массой .

Введем необходимые физические идеализации:

  1. Система находится на гладкой горизонтальной плоскости (сила трения отсутствует).
  2. Сила тяжести строго скомпенсирована силой нормальной реакции опоры и не влияет на движение вдоль оси деформации.
  3. Пружина является идеальной и невесомой, а ее деформация строго подчиняется закону Гука.

Если вывести систему из положения равновесия, груз начнет совершать свободные незатухающие гармонические колебания. В общем виде координата груза (смещение от положения равновесия) будет меняться со временем по закону:

где — амплитуда колебаний, — циклическая частота, а — начальная фаза, зависящая от того, как именно мы запустили систему (она определяет, будет ли график в начале синусом, косинусом или чем-то между ними).

Поскольку пружина невесома, сила, с которой она действует на стену (воздействие одной части системы на другую), в любой момент времени равна силе упругости, возникающей в пружине. Проекция этой силы на ось колебаний равна:

Как видно из уравнения, сила , с которой пружина воздействует на стену, меняется со временем по гармоническому закону.