3.2.36∗. В цилиндрическом сосуде радиуса $R$ находится поршень длины $l$, соединенный пружиной жесткости $k$ со стенкой сосуда. По оси поршня имеется сквозной канал радиуса $r$. Все свободное пространство в сосуде заполнено жидкостью плотности $\rho$. Найдите частоту колебаний поршня, если $l\gg R$ и масса поршня равна $m$.
К задаче $3.2.36$
Решение
Решим данную задачу так, как бы её решали студенты 1 курса на курсе теоретической механики. Надеюсь, что этот методологический приём расширит горизонты физического познания школьников и побудит к дальнейшему изучению приёмов теоретической механики.
Пусть поршень перемещается на расстояние $x(t)$ от положения равновесия. Жидкость должна перетекать из одной половины в другую через узкий канал внутри поршня. Это вызывает движение жидкости в канале, а значит жидкость приобретает кинетическую энергию. Поскольку жидкость идеальна и несжимаема, для неё можно применить уравнение неразрывности (другими словами закон сохранения массы): $S\upsilon=const$. Обозначим скорость жидкости в канале через $\upsilon$, скорость жидкости прямо перед поршнем - $\dot{x}$ (считаем, что жидкость двигается со скоростью поршня), тогда уравнение неразрывности приобретает вид: