Новое решение
ru/3.9.8.md
+40 −0
| @@ -0,0 +1,40 @@ | |||
| + | ### Условие | ||
| + | |||
| + | $3.9.8.$ [Вставьте условие задачи] | ||
| + | |||
| + | ### Решение | ||
| + | |||
| + | ### Условие | ||
| + | |||
| + | $3.9.8^\ast.$ а. На бесконечный стержень в некотором сечении действует внешняя продольная сила $F = F_0 \cos \omega t$. Какие волны скорости и деформации возникают в стержне? Сечение стержня $S$, плотность его материала $\rho$, скорость волны в стержне $c$. | ||
| + | б. В двух сечениях бесконечного стержня, расположенного на расстоянии $l$ друг от друга, действует продольная внешняя сила $F = F_0 \cos \omega t$. Какие волны возникают в стержне? При каких значениях $l$ мощность волны в стержне наибольшая? наименьшая? Почему энергия результирующей волны в стержне не равна сумме энергий волн, испускаемых каждым источником в отдельности? | ||
| + | |||
| + | ### Решение | ||
| + | |||
| + | <b>Часть А. Один источник</b> | ||
| + | |||
| + | <b>1. Волны скорости</b> | ||
| + | Расположим начало координат $x=0$ в сечении, где приложена сила. Внешняя сила $F(t)$ генерирует две упругие волны, бегущие в противоположных направлениях. | ||
| + | Волновое (акустическое) сопротивление одного полубесконечного стержня равно $Z = \rho c S$. Так как источник вынужден «раскачивать» одновременно два полубесконечных стержня (справа и слева), суммарная сила сопротивления среды равна $2Zv(0, t)$. | ||
| + | По третьему закону Ньютона внешняя сила уравновешивается этим сопротивлением: | ||
| + | $$F_0 \cos\omega t = 2 \rho c S v(0, t)$$ | ||
| + | Отсюда находим скорость сечения $x=0$: | ||
| + | $$v(0, t) = \frac{F_0}{2 \rho c S} \cos\omega t$$ | ||
| + | Введем обозначения: амплитуда скорости $v_m = \frac{F_0}{2 \rho c S}$, волновое число $k = \frac{\omega}{c}$. Тогда уравнения бегущих волн скорости примут вид: | ||
| + | При $x > 0$: | ||
| + | $$v(x,t) = v_m \cos(\omega t - kx)$$ | ||
| + | При $x < 0$: | ||
| + | $$v(x,t) = v_m \cos(\omega t + kx)$$ | ||
| + | |||
| + | <b>2. Волны деформации</b> | ||
| + | Относительная деформация $\varepsilon = \frac{\partial u}{\partial x}$ связана со скоростью частиц $v = \frac{\partial u}{\partial t}$. | ||
| + | Для плоской волны, бегущей в положительном направлении ($x>0$), справедливо соотношение $\varepsilon = -v/c$. Для волны, бегущей в отрицательном направлении ($x<0$), справедливо $\varepsilon = v/c$. | ||
| + | Следовательно, волны деформации описываются уравнениями: | ||
| + | При $x > 0$: | ||
| + | $$\varepsilon(x,t) = -\frac{F_0}{2 \rho c^2 S} \cos(\omega t - kx)$$ | ||
| + | При $x < 0$: | ||
| + | $$\varepsilon(x,t) = \frac{F_0}{2 \rho c^2 S} \cos(\omega t + kx)$$ | ||
| + | |||
| + | #### Ответ | ||
| + | |||
| + | [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | ||
| @@ -0,0 +1,40 @@ | |||
| ### Условие | |||
| $3.9.8.$ [Вставьте условие задачи] | |||
| ### Решение | |||
| ### Условие | |||
| $3.9.8^\ast.$ а. На бесконечный стержень в некотором сечении действует внешняя продольная сила $F = F_0 \cos \omega t$. Какие волны скорости и деформации возникают в стержне? Сечение стержня $S$, плотность его материала $\rho$, скорость волны в стержне $c$. | |||
| б. В двух сечениях бесконечного стержня, расположенного на расстоянии $l$ друг от друга, действует продольная внешняя сила $F = F_0 \cos \omega t$. Какие волны возникают в стержне? При каких значениях $l$ мощность волны в стержне наибольшая? наименьшая? Почему энергия результирующей волны в стержне не равна сумме энергий волн, испускаемых каждым источником в отдельности? | |||
| ### Решение | |||
| <b>Часть А. Один источник</b> | |||
| <b>1. Волны скорости</b> | |||
| Расположим начало координат $x=0$ в сечении, где приложена сила. Внешняя сила $F(t)$ генерирует две упругие волны, бегущие в противоположных направлениях. | |||
| Волновое (акустическое) сопротивление одного полубесконечного стержня равно $Z = \rho c S$. Так как источник вынужден «раскачивать» одновременно два полубесконечных стержня (справа и слева), суммарная сила сопротивления среды равна $2Zv(0, t)$. | |||
| По третьему закону Ньютона внешняя сила уравновешивается этим сопротивлением: | |||
| $$F_0 \cos\omega t = 2 \rho c S v(0, t)$$ | |||
| Отсюда находим скорость сечения $x=0$: | |||
| $$v(0, t) = \frac{F_0}{2 \rho c S} \cos\omega t$$ | |||
| Введем обозначения: амплитуда скорости $v_m = \frac{F_0}{2 \rho c S}$, волновое число $k = \frac{\omega}{c}$. Тогда уравнения бегущих волн скорости примут вид: | |||
| При $x > 0$: | |||
| $$v(x,t) = v_m \cos(\omega t - kx)$$ | |||
| При $x < 0$: | |||
| $$v(x,t) = v_m \cos(\omega t + kx)$$ | |||
| <b>2. Волны деформации</b> | |||
| Относительная деформация $\varepsilon = \frac{\partial u}{\partial x}$ связана со скоростью частиц $v = \frac{\partial u}{\partial t}$. | |||
| Для плоской волны, бегущей в положительном направлении ($x>0$), справедливо соотношение $\varepsilon = -v/c$. Для волны, бегущей в отрицательном направлении ($x<0$), справедливо $\varepsilon = v/c$. | |||
| Следовательно, волны деформации описываются уравнениями: | |||
| При $x > 0$: | |||
| $$\varepsilon(x,t) = -\frac{F_0}{2 \rho c^2 S} \cos(\omega t - kx)$$ | |||
| При $x < 0$: | |||
| $$\varepsilon(x,t) = \frac{F_0}{2 \rho c^2 S} \cos(\omega t + kx)$$ | |||
| #### Ответ | |||
| [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | |||