- Narzędzia
- Obiekty
- Słowa kluczowe
- Kategoria
- Mechanika
Klub 44F - zadania II 2012»Zadanie 532
o zadaniu...
- Zadanie pochodzi z artykułu Klub 44F - zadania II 2012
- Publikacja w Delcie: luty 2012
- Publikacja elektroniczna: 1 lutego 2012
- Artykuł źródłowy w wersji do druku [application/pdf]: (65 KB)
Ciężarek o masie
wisiał na sprężynce o stałej sprężystości
i drgał z amplitudą
Z góry sypie się w tempie
cienki strumień piasku, który spada ze stałą prędkością
(stałą wskutek np. działania siły oporu powietrza). Piasek pada
na ciężarek i przykleja się, dalej drgając razem z nim. Po czasie długim
w porównaniu z okresem drgań masa ciężarka wraz z piaskiem wzrosła do
wartości
Znaleźć końcową amplitudę drgań. Założyć, że
prędkość ruchu ciężarka nie przekraczała prędkości spadku piasku.
Rozwiązanie
Przyjmijmy, że ciężarek porusza się z prędkością
do góry, wtedy
jego prędkość względem piasku wynosi
Ponieważ masa piasku
na jednostkę długości strumienia jest równa
więc masa piasku
przyklejonego w ciągu czasu
wynosi
Energia
przekształcona w ciepło jest równa

W ciągu jednego okresu masa ciężarka nie zmienia się znacząco
i można przyjąć, że jego ruch jest w przybliżeniu harmoniczny:
gdzie
jest amplitudą,
Gdy
podstawimy zależność
do
rozwiniemy sześcian
i scałkujemy względem okresu, niezerowy wkład do całki dadzą tylko parzyste
potęgi
– zerowa i druga:

Pierwszy składnik po prawej stronie jest początkową energią kinetyczną piasku
przyklejonego w ciągu okresu, zatem drugi składnik
jest spadkiem
energii drgań w tym czasie. Przechodząc do dłuższej skali czasu, należy
wyrażenie
przyrównać do
gdzie
jest energią drgań ciężarka,
Stąd

Podstawienie
i scałkowanie prowadzi do wyniku
czyli

Jak widać, wartość prędkości piasku nie ma znaczenia.