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【趣味物理題】掛在桌子上的鏈條

2021-09-03 10:36 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

鄭濤(Tao Steven Zheng)著

【問題】

一條均勻質(zhì)量(uniform mass)為 m 和長度為 L 的鏈條被固定在無摩擦力(frictionless)的桌子上。 桌子上有一個大洞,然后鏈條有一段長度為 D掛在洞的上方。 鏈條從靜態(tài)(rest)釋放,開始下降。鏈條需要多長時間才能完全滑入大洞?

【提示】

%20%5Cint%20%5Cfrac%7Bdx%7D%7B%5Csqrt%7Bx%5E2%20-%20a%5E2%7D%7D%20%3D%20%5Cln%20%5Cleft(x%20%2B%20%5Csqrt%7Bx%5E2%20-a%5E2%7D%20%5Cright)%20%2B%20C

【題解】

設(shè)定 %5Csigma 作為鏈的線性質(zhì)量密度(linear mass density)。設(shè) x 為懸掛在孔上方的可變長度(variable length)。

%7BF%7D_%7Bnet%7D%20%3D%20ma%20

%5Csigma%20x%20g%20%20%3D%20%5Csigma%20L%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D


由于 %5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdt%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdx%7D%5Cfrac%7Bdx%7D%7Bdt%7D%20%3D%20v%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdx%7D%20,力的方程可變成關(guān)于速度的微分方程

v%20%5Cfrac%7Bdv%7D%7Bdx%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bgx%7D%7BL%7D

因為鏈條最初處于靜態(tài)(rest),且懸掛在孔上方的最初長度為 D,速度的解為

v%20%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bg%7D%7BL%7D%7D%20%5Csqrt%7B%7Bx%7D%5E%7B2%7D%20-%20%7BD%7D%5E%7B2%7D%7D

由于 v%20%3D%20%5Cfrac%7Bdx%7D%7Bdt%7D%20,上述的方程式可以寫成

%5Cfrac%7Bdx%7D%7Bdt%7D%20%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bg%7D%7BL%7D%7D%20%5Csqrt%7B%7Bx%7D%5E%7B2%7D%20-%20%7BD%7D%5E%7B2%7D%7D%20

積分界(bounds of integration)x%20%3D%20%5BD%2C%20L%5D%20t%20%3D%20%5B0%2C%20T%5D%20 求解以上微分方程。

%5Cint_%7BD%7D%5E%7BL%7D%20%5Cfrac%7Bdx%7D%7B%5Csqrt%7B%7Bx%7D%5E%7B2%7D%20-%20%7BD%7D%5E%7B2%7D%7D%7D%20%3D%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7BT%7D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bg%7D%7BL%7D%7D%20dt%20

因此,時間之解是

T%20%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BL%7D%7Bg%7D%7D%20%5Cln%7B%5Cleft(%5Cfrac%7BL%20%2B%20%5Csqrt%7B%7BL%7D%5E%7B2%7D%20-%20%7BD%7D%5E%7B2%7D%7D%7D%7BD%7D%5Cright)%7D%20


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