The solution at revision #20610 of , by radaryv. This is not the current version.

Условие

3.8.12∗. Происходит торцевое столкновение двух упругих стержней одинакового сечения. Рассмотрев волны сжатия, порождённые ударом, и отражение их от свободных концов, докажите, что результат соударения такой же, как и при лобовом абсолютно упругом ударе тел, если отношение длин стержней равно отношению скоростей звука в этих стержнях.

Решение

Пронумеруем стержни индексом . Для -го стержня обозначим через его длину, через плотность, через скорость распространения продольной волны, через начальную скорость вдоль лабораторной оси , а через модуль Юнга. Площадь одинакового сечения стержней обозначим через . Выберем направление оси так, что . После возникновения волн соприкасающиеся участки движутся с общей скоростью , причём .

Рассмотрим малый промежуток времени . Фронт волны проходит в -м стержне расстояние , а пройденный волной участок укорачивается на . Поэтому модуль продольной деформации этого участка равен

Обозначим через модуль силы сжатия -го стержня. По закону Гука . Покажем, откуда берётся нужная связь скорости волны с упругостью стержня. За время волна охватывает массу и изменяет её скорость на . По второму закону Ньютона импульс силы равен изменению импульса этой массы:

После сокращения одинаковых множителей получаем школьную связь для продольной волны

Следовательно,

По третьему закону Ньютона силы в месте контакта равны. С учётом имеем

откуда

Из условия следует . Обозначим это общее время прохождения волной стержня через :

Значит, волны сжатия одновременно достигают свободных концов, а отражённые волны растяжения одновременно возвращаются к месту контакта.

На расчётном чертеже обозначает время, а — координату, отсчитываемую вдоль недеформированных стержней. Поэтому их свободные концы изображены при и .

К задаче $3.8.12$
К задаче

У свободного конца сила равна нулю. Поэтому отражённая волна растяжения снимает деформацию, а вызванное ею изменение скорости равно по величине и совпадает по направлению с изменением скорости в падающей волне. Обозначим конечную скорость -го стержня через . После возвращения отражённых волн стержни снова не деформированы, и

Подставляя найденную скорость , получаем

Обозначим массу -го стержня через . Поскольку , условие на длины даёт

Следовательно, конечные скорости можно записать так:

Это в точности формулы лобового абсолютно упругого удара. Кроме того, , поэтому после возвращения отражённых волн стержни расходятся и контакт прекращается.

Ответ

при результат столкновения совпадает с результатом абсолютно упругого удара тел масс и :