3.9.22. Колебания в струне возбуждают, пропуская по ней переменный ток так, что магнитная сила со стороны небольшого магнита $M$ меняется гармонически. Частота тока отвечает третьей гармонике струны. Длина струны $L$. Где нужно поместить магнит, чтобы амплитуда колебаний была наибольшей?
К задаче $3.9.22$
Решение
Технический подход. Магнит действует на такой малый участок, что посчитаем его предельно жестким и безмассовым. Тогда можно считать в месте действия магнита тонкая безмассовая стенка, на которой должны выполняться определенные граничные условия. В такой постановке задача аналогична задаче о вынужденных колебания воздуха в трубе из-за колебания тонкого безмассового поршня в произвольном месте внутри трубы [1].
Две стоячие волны
Пусть один конце струны в координате $x = 0$. Другой в $x = L$. Магнит действует на малый участок в координате $0 < x = x_1 < L$.
По сказанной идее считаем, что на участках, отделенных координатой $x_1$, образуются свои стоячие волны.
На участке с координатами от $0$ до $x_1$ устанавливается своя стоячая волна напряжения с учетом, что в $x = 0$ напряжение максимально:
$$\sigma_A = A\cos kx,$$
где $A$ есть амплитуда напряжения этой в стоячей волне, $k = 2\pi/\lambda$ (временной частью напряжения не интересуемся).
На участке с координатами от $x_1$ до $L$ с учетом, что в $x = L$ напряжение максимально:
где $B$ есть амплитуда напряжения в этой стоячей волне, $k = 2\pi/\lambda$ (временной частью напряжения не интересуемся).
Величины $A, B$ есть амплитуды алгебраические (могут быть отрицательными) из-за неоднозначности выбора между законом положительного отрицательного косинуса в формуле напряжения.
По $\sigma = \rho vc$ (как $p = \rho vc$) и тому, что скорость в волне стоячей по координате отстает от давления на $\pi/2$ (следствие дифференцирования, например). В волне для дальнейшего запишем законы скорости в волнах напряжений $\sigma_A, \sigma_B$ соответственно
Это приводит к тому, что знаменатели выражений для $A, B$ равны нулю и амплитуды напряжения стремятся к бесконечности независимо(!) от положения магнита в модели без потерь и точной частоте третьей гармоники струны! Бесконечны в таком случае и амплитуды колебаний.
Если в системе есть потери или частота не точно равна одной из собственных частот струны, то знаменатели $A, B$ не равны нулю и чтобы максимизировать значения $A, B$ нужно максимизировать их числители (максимизируется и амплитуда колебаний).
Поиск максимумов указанных числителей дает допустимые максимизирующие значения $x_1$: