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【趣味物理题】挂在桌子上的链条

2021-09-03 10:36 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

一条均匀质量(uniform mass)为 m 和长度为 L 的链条被固定在无摩擦力(frictionless)的桌子上。 桌子上有一个大洞,然后链条有一段长度为 D挂在洞的上方。 链条从静态(rest)释放,开始下降。链条需要多长时间才能完全滑入大洞?

【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

【题解】

设定 %5Csigma 作为链的线性质量密度(linear mass density)。设 x 为悬挂在孔上方的可变长度(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,力的方程可变成关于速度的微分方程

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

因为链条最初处于静态(rest),且悬挂在孔上方的最初长度为 D,速度的解为

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,上述的方程式可以写成

%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

积分界(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,时间之解是

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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