Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Тер. Мех. (Леушин,Нигматуллин,Прошин).pdf
Скачиваний:
874
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Динамика материальной точки

26

 

 

 

 

x2 (E)

dx

 

 

T =T (E) = 2m ∫

.

(2.7)

(E −U (x))

x1(E)

 

 

Методические указания к решению задач по динамике материальной точки

Отыскание закона движения (траектории) материальной точки в рамках ньютоновского формализма обычно сводится к следующим пунктам:

1.Определение природы и симметрии сил, действующих на материальную точку.

2.Выбор системы координат, в которых переменные дифференциального уравнения могут быть разделены или записаны наиболее простым способом для их решения известными аналитическими методами.

3.Выбор и правильная запись начальных условий.

4.Запись дифференциальных уравнений типа (2.1) или (2.5) и их решение.

5.Анализ полученного результата и возможное обобщение полученного решения.

Примеры решения задач по динамике

Задача 1. Пуля, пробив доску толщиной h, изменила свою скорость от v0 до v. Найти время движения пули в доске, считая силу сопротивления пропорциональной некоторой степени скорости vθ (θ > 1).

Решение. Считая, что пуля летит строго в горизонтальном направлении, а влияние силы тяжести является малым по сравнению с силой сопротивления, уравнение Ньютона запишется в виде

 

 

 

 

m dv

= −γvθ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

Отсюда находим выражение для времени движения пули в доске

 

 

m v

 

−θ

 

m

1 1−θ

 

1−θ

 

 

t = −

γ v∫

p

 

dp =

 

 

 

v0

1

−(v / v0 )

.

(2.8)

 

 

 

 

 

 

 

γ 1− θ

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Последнее выражение (2.8) нельзя считать решением, так как коэффициент пропорциональности γ неизвестен. Для его нахождения необходимо связать этот коэффициент с толщиной доски h. Для этого представим исход-

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

27

 

 

ное уравнение Ньютона в виде (см. (2.3))

 

m dv v = −γvθ .

(2.9)

dx

 

Интегрируя уравнение (2.9) при заданных начальных условиях, получаем

 

m v

1−θ

 

m

1

2−θ

1−(v / v0 )

2−θ

.

 

h = −

γ v∫

p

dp =

 

 

v0

 

(2.10)

 

 

 

 

 

γ

2 − θ

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем из последнего уравнения (2.10) коэффициент γ и, подставляя это выражение в уравнение (2.8), получим окончательный ответ

t =

h

 

2

− θ

1−(v / v0 )1−θ

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(2.11)

v0

1

 

)

2−θ

 

 

− θ 1−(v / v

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

Замечание. Полезно проанализировать решение (2.11) при θ → 1, 2. Рекомендуется также нарисовать примерный график функции t(v/v0) при различных значениях параметра θ.

Задача 2. Найти закон движения для трехмерного гармонического осциллятора, если помимо упругой силы на осциллятор действует постоянная сила и сила трения, пропорциональная скорости. Предполагается, что в начальный момент времени осциллятор находился в точке равновесия r = 0 и имел начальную скорость v0.

Решение. Уравнение движения для этого случая записывается в виде

m

dv

+ γv + κr = F .

(2.12)

 

 

dt

0

 

 

 

 

Здесь v = dr/dt, Fтр = –γv − сила трения, F0 – постоянная сила, Fупр = −κr − сила упругости, γ и κ − соответствующие размерные коэффициенты.

Обычно анализируются случаи, когда F0 = 0. Мы рассмотрим решение уравнения (2.12) для случая F0 ≠ 0. В уравнении (2.12) разделим все члены уравнения на массу m частицы. Тогда уравнение для выделенной координаты, например, x (для других координат y, z уравнения выглядят аналогично) можно записать в виде:

d 2 x

 

dx

2

F

 

 

+ 2β

 

+ ω x =

0x

,

(2.13)

 

 

 

dt2

 

dt

0

m

 

 

 

 

Динамика материальной точки

28

 

 

где β = γ/2m, а ω02 = κ/ m – собственная частота колебаний.

Вначале выясним, к чему приводит действие постоянной силы. Будем искать решение в виде: x = u + xe. Здесь первый член u – решение однородного уравнения, соответствующего уравнению (2.13) с равной нулю правой частью; xe – частное решение уравнения (2.13) в виде постоянной, физически соответствующее сдвигу исходного положения равновесия затухающего осциллятора. Подстановка x = u + xe приводит к уравнению

d 2u

 

du

2

 

F

 

dt2

+ 2β

dt

+ ω u = 0,

x =

0x

.

(2.14)

 

 

0

e

mω2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

Получилось линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами относительно новой переменной u. Его решение имеет вид

u(t) =C1 exp(λ1t) +C2 exp(λ2t), x(t) =u(t) + xe ,

(2.15)

где λ1,2 = −β ± i(ω02 −β2 )1/ 2 . При ω02 >β2 возникают затухающие колебания с частотой ω = (ω02 −β2 )1/ 2 , а решение u(t) (2.15) можно также записать в виде x(t) = aexp(−βt)cos(ωt +φ0 ) + xe . Необходимо также выразить константы С1 и С2 (или a и φ0) через начальные условия x0 и v0x.

Задача 3. Определить траекторию заряженной частицы массой m, и зарядом e, двигающуюся в нестационарном электрическом и магнитном поле. Известно, что в начальный момент времени частица находилась в начале координат, имея нулевую скорость.

Решение. Реализуем пункты, обозначенные выше.

1. Частица взаимодействует с нестационарным полем посредством си-

лы Лоренца, которая имеет вид

 

 

 

FL = eE(t) +

e

[v H(t)],

(2.16)

c

 

 

 

где e – заряд частицы, c – скорость света.

2. Не нарушая общности задачи, мы можем выбрать декартовую СК, направить вектор магнитного поля H(t) по оси Oz, а компоненты вектора электрического поля E(t) разложить на продольную и поперечную состав-

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

29

 

 

ляющие по отношению к вектору H(t).

3.В "формульном" виде начальные условия записываются так: при t = 0 r = 0, v = 0.

4.Уравнения Ньютона для данной задачи имеют вид:

 

mw = FL,

 

(2.17)

или в компонентах выбранной декартовой СК

 

m x = eEx(t) −

c Hz(t) y

(2.18а)

&&

 

e

&

 

m y

= eEy(t) +

c Hz(t) x

(2.18б)

&&

 

e

&

 

 

m z = eEz(t)

 

(2.18в)

 

&&

 

 

 

Выбор этой задачи обусловлен следующими причинами:

а) Эта проблема включает в себя стандартную задачу о движении заряженной частицы в стационарных электрическом и магнитном полях (векторы E и H не меняются со временем).

б) На примере решения этой задачи можно показать в каких случаях системы уравнений второго порядка могут быть решены переходом к комплексной переменной.

в) Можно заметить, что магнитная часть силы Лоренца при соответствующем переобозначении переменных совпадает с силой инерции Кориолиса: FK = 2m[v ω(t)]. Следовательно, по аналогии с движением частицы в переменном электромагнитном поле может быть решена задача о движении материальной точки при действии силы

mw = F(t) + 2m[v ω(t)].

(2.19)

Математическое решение задачи.

Вводя обозначения

Hz(t) = H0h(t),

Ex,y(t) = E0ex,y(t), κ = eE0/m, ωH = eH0/mc, представим систему в виде

&&

= κex(t)

&

(2.20а)

x

− ωH h(t) y ,

&&

= κey(t)

&

(2.20б)

y

+ ωH h(t) x ,

 

&&

 

(2.20в)

 

z = κez(t).

Последнее уравнение системы (2.20в) интегрируется независимо от первых

Динамика материальной точки

30

 

 

двух уравнений. Первые два уравнения (2.20а) и (2.20б) могут быть проин-

тегрированы переходом к комплексной переменной u = x + i y . Умножая

&

&

второе уравнение на комплексную переменную i ≡ −1 и,

складывая его с

первым, получим дифференциальное уравнение первого порядка относительно комплексной переменной u(t) вида

du

− iωH h(t)u = κe(t),

(2.21)

dt

 

 

где e(t) = ex(t) + iey(t). Уравнение относится к стандартному линейному дифференциальному уравнению первого порядка с переменными коэффициентами и может быть проинтегрировано. С учетом начальных условий его решение в квадратурах записывается в виде

t

t

 

u(t) = κ∫e(t ')exp[iωH ∫h(τ)dτ]dt ' .

(2.22)

0

t '

 

Переходя к исходным переменным, получим решения для компонент скорости

t

(2.23а)

x = κ∫dt '[ex(t')сos(ωHΦ(t,t')) − ey(t')sin(ωHΦ(t,t'))],

&

 

0

 

t

(2.23б)

y = κ∫dt '[ex(t')sin(ωHΦ(t,t'))] + ey(t')cos(ωHΦ(t,t'))],

&

 

0

 

t

(2.23в)

z = κ∫dt 'ez(t').

&

0

t

Здесь Φ(t,t') = ∫h(τ)dτ.

t '

Чтобы получить зависимость r(t) достаточно проинтегрировать систему (2.23) еще раз с учетом начальных условий. Мы не будем приводить окончательное решение ввиду его громоздкости. Уместно подчеркнуть еще раз, что интегралы, взятые от решений системы (2.23), полностью решают задачу о движении заряженной частицы в произвольном нестационарном электромагнитном поле.

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

31

 

 

Замечание. Полезно воспроизвести решение (2.23) также для случая, когда v0 ≠ 0. Рекомендуется также провести до конца все необходимые математические выкладки для частной функции магнитного поля H(t) = H0cos Ωt. Вновь действуя по принципу: "понять − означает обобщить", полезно написать уравнения движения для материальной точки, двигающейся в плоскости xOy неинерциальной системы координат, если на нее действует полная сила инерции, обусловленная вращением

(

 

 

)

.

(2.24)

F = −2m[ωv]− m

[ωr]+ ω[ωr]

 

&

 

 

 

 

Предполагается, что нестационарный вектор угловой скорости ω(t) перпендикулярен плоскости движения.

Задача

4.

 

 

Найти период колебаний материальной точки в поле

U =U0

 

x / a

 

p

(p − произвольный положительный параметр, определяющий

 

 

минимум потенциала). Считать, что в начальный момент времени материальная точка начинает свое движение из точки остановки.

Решение: Для решения этой задачи воспользуемся формулой (2.7)

x

dy

 

 

 

 

 

 

y

 

dx

 

 

 

T (E) = 2m ∫1

 

 

 

 

= 2a

2m ∫1

 

 

.

(2.25)

 

 

 

 

 

p

y

p

p

 

 

 

 

 

−

x1

 

 

y

 

 

 

 

U0

0

 

− x

 

 

 

 

E −U

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь y1 = x1/a − безразмерная точка остановки, определяемая уравнением y1p = (E /U0 ) . С помощью замены z = (x / y1) p последний интеграл в выражении (2.25) можно свести к бета-функции и представить окончательный результат в виде

T (E) = 2a

2m

 

E

1−p / 2

C( p) = 2a

2m

 

E

1−p / 2

Γ(1+1/ p)Γ(1/ 2)

,(2.26)

 

 

 

 

U0

 

U0

 

Γ(1/ p +1/ 2)

 

U0

 

 

U0

 

 

где для представления параметра C(p) через гамма-функции Γ(x) необходимо воспользоваться соотношением, определяющим бета-функцию B(x,y),

1

(1−t )y−1 dt =

Γ(x)Γ( y) .

 

B(x, y) = ∫t x−1

(2.27)

0

 

Γ(x + y)

 

 

 

 

Динамика материальной точки

32

 

 

∞

В выражениях (2.26)–(2.27) Γ(x) – гамма-функция Эйлера Γ(x) = ∫t x−1e−t dt .

0

Частота колебания и ее зависимость от начальной амплитуды находится из

(2.26) по формуле ω = 2π/T .

Анализ полученного решения. Из формулы (2.26) следует, что период коле-

баний в потенциальной яме вида U =U0 x / a p не зависит от начальной амплитуды колебания (начальной энергии E) только для линейных гармонических колебаний с p =2.

Задача 5. Найти закон движения для одномерного гармонического осциллятора, если помимо упругой силы на осциллятор действует сила трения пропорциональная квадрату скорости. В начальный момент времени осциллятор находился в точке равновесия x = 0 и имел начальную скорость v0.

Решение. Уравнение движения для этого случая записывается в виде

 

d 2 x

2

 

 

m

 

+ γv

+ κx = 0.

(2.28)

dt2

Здесь v = dx/dt, Fтр = −γv2 − сила трения; Fупр = −κx − сила упругости; γ и κ − соответствующие размерные коэффициенты.

Обычно анализируется случай, когда Fтр = −γv. Для сравнения с линейным случаем мы намеренно рассмотрим решение уравнения (2.28), которое сведем к квадратурам и рассмотрим некоторые обобщения задачи об одномерном движении в поле потенциальных сил.

Перейдем в уравнении (2.28) к новым переменным x и Т = mv2/2. Тогда получим следующее уравнение

dT

+

2γ

T + κx = 0.

(2.29)

dx

 

 

m

 

Получилось линейное дифференциальное уравнение относительно новой переменной T(x), решение которого имеет вид

 

κ

κ

 

 

T(x) = T0exp[−λx] −

λ x +

 

[1 − exp(−λx)].

(2.30)

λ2

Здесь λ = 2γ/m, T0 = mv02 / 2 . Из дифференциального уравнения (2.30) с раз-

Теоретическая физика. Механика (практический курс)

33

 

 

деляющимися переменными можно найти решение в квадратурах в виде обратной зависимости t(x). Это решение имеет вид

 

x

2

2ω02

 

 

−1/2

 

t =

∫

dx [v exp(−λx) +

 

(1

−λx −exp(−λx))]

.

(2.31)

λ2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

Дальнейшее исследование квадратурного решения (2.31) возможно только численными методами, так как интеграл в последней формуле не выражается в элементарных функциях. Ввиду отсутствия привычного аналитического решения вида x(t), эта модель не получила такого широкого распространения как линейная модель.

Анализ полученного решения. Если теперь вернуться к исходному уравнению (2.28), то можно заметить, что подобным методом может быть решено уравнение вида

m

dv

+ γ(x)v2 = F(x).

(2.32)

dt

Это уравнение описывает движение материальной точки в поле потенциальной силы F(x) и, действующей на нее неоднородной силы трения Fтр = −γ(x)v2. Чтобы получить его решение, вновь переходим к переменной x и кинетической энергии Т = mv2/2

dT

+

2γ(x)

T = F(x).

(2.33)

dx

m

 

 

 

Решение неоднородного линейного дифференциального уравнения вида (2.33) может быть записано следующим образом

 

&2

x

2

x

T(x) =

mx

= T0 e−Φ( x,x0 ) + ∫F(x')e−Φ( x,x')dx', где Φ(x,a) =

∫γ( y)dy , (2.34)

2

 

 

x

m a

 

 

0

 

 

а x0 = x(t=0). Последнее выражение (2.34), в свою очередь, представляет собой дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, решение которого имеет вид

x

 

 

 

 

dx

 

 

 

t(x) = ±∫

 

 

 

 

 

.

(2.35)

 

 

 

m x∫

 

x0

 

 

 

 

 

 

v2 exp[−Φ(x, x

)] +

2

 

x

F (x ')exp[−Φ(x, x ')]dx'

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

Динамика материальной точки

34

 

 

Последнее равенство при γ(x) = 0 переходит в известное решение (2.6)

 

x

dx

 

t =

m ∫

,

 

 

2 x

E −U (x)

 

 

0

 

 

x

где U(x)= − ∫F(x')dx' – потенциальная энергия.

x0

Мы намеренно привели решение последней задачи как задачи повышенной трудности, чтобы на ее примере можно было получить представление о методах решения некоторых нетривиальных дифференциальных уравнений, порожденных "физикой" задачи. Как следует из этого примера, закон "сохранения" механической энергии можно получить также и для определенного класса диссипативных сил.

Чтобы показать более широкую применимость уравнения (2.33), рассмотрим следующую задачу. Как известно, уравнение вида

d 2 y 2

(2.36)

 

+ω y = 0 ,

dt2

0

 

 

 

описывает модель гармонического осциллятора. Пусть y(x) – некая заданная нелинейная связь между исходным смещением x и "новым" смещением y, которое удовлетворяет уравнению (2.36) с известным решением. Какому уравнению должна удовлетворять функция y(x), чтобы его можно было свести к уравнению (2.36) для гармонического осциллятора?

Решим эту задачу. Замечая, что

dy

 

dy

 

d 2 y

 

d dy

 

 

dx

 

 

=

 

vx ,

 

 

=

 

 

 

vx vx ,

vx =

 

(2.37)

dt

dx

dt

2

 

 

dt

 

 

 

 

dx dx

 

 

 

и переходя к новой переменной x, относительно функции vx получим уравнение

1

dy d

d 2 y

 

 

 

 

 

 

(vx2 )+

 

 

vx2 + ω02 y(x) = 0,

(2.38)

2

 

 

dx

2

dx dx

 

 

 

 

которое представляет собой частный случай уравнения (2.33). Следовательно, в этом частном случае решение получается просто обращением решения уравнения y(x) = acos(ω0t + ϕ0) относительно исходной переменной x.