7.1.22∗. Найдите частоту малых колебаний математического маятника относительно его нижнего положения равновесия, если непосредственно под равновесным положением шарика на расстоянии $h$ от него закреплен заряд $Q$. Длина нити $l$, масса шарика $m$, заряд $q$.
Решение
Рассмотрим максимальное отклонение от положения равновесия на угол $\alpha$. Причём $\alpha\rightarrow0$. Колебания будут существовать при существовании устойчивого равновесия: $$M_{mg} + M_{T} + M_{F_{К}} > 0$$ Момент силы натяжения нити равен: $$M_{T} = 0$$ Момент силы тяжести равен: $$M_{mg} = mglsin\alpha$$ Момент силы Кулона равен: $$M_{F_{К}} = -F_{К}l\frac{l+h}{h}sin\alpha$$ где $F_{К} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{qQ}{h^2}$ В итоге мы получим условие существования колебаний: $$mg > \frac{1}{4\pi{}\varepsilon{}_0} \cdot{} \frac{Qq(l+h)}{h^3}$$ Рассмотрим колебания на горизонтальной оси $x$: $$ma_x = F_{К}\frac{l}{h}sin\alpha - Tsin\alpha$$ где $sin\alpha = \frac{x}{l}$ Так как колебания малые, то: $$T \approx mg - F_{К}$$ И найдём проекцию ускорения на ось $x$: $$a_x = -x(\frac{g}{l} - \frac{1}{4\pi{}\varepsilon{}_0} \cdot{} \frac{Qq(l+h)}{mlh^3})$$ Из уравнения гармонических колебаний следует: $$a_x = -\omega^2x$$ Тогда получим ответ: $$\omega = \sqrt{\frac{g}{l}-\frac{1}{4\pi{}\varepsilon{}_0} \cdot{} \frac{Qq(l+h)}{mlh^3}}$$